Ionische vloeistoffen op kamertemperatuur (IL's), een speciale klasse van gesmolten zouten, beloven veel betere elektrochemische prestaties in vergelijking met conventionele waterige oplossingen dankzij een reeks nieuwe en afstembare eigenschappen. In de laatste twee decennia, IL's zijn onderzocht als een middel om een ​​reeks verschillende technologieën te verbeteren, van energieopslag en conversie tot katalyse tot het galvaniseren van metalen en halfgeleiders.

Een goed voorbeeld van waar IL's hun stempel kunnen drukken, zijn op koolstof gebaseerde supercondensatoren die elektrische energie opslaan op de nanoporeuze elektrode-elektrolyt-interface. Hoe IL's zich op deze interface assembleren, bepaalt de hoeveelheid opgeslagen energie en de laad- en ontlaadsnelheden in apparaten. Echter, uitgebreide structurele inzichten zijn traag geëvolueerd omdat het gedrag van elektrolyten op interfaces en onder opsluiting een uitdaging is om op te lossen. Dit geldt met name voor IL's, die volumineus vertonen, flexibele en sterk variërende moleculaire configuraties.

In recent gepubliceerd onderzoek in The Journal of Physical Chemistry Letters , Wetenschappers van Lawrence Livemore National Laboratory (LLNL) koppelden röntgenexperimenten aan high-fidelity-simulaties om een ​​veelgebruikte familie van IL's te onderzoeken die zijn opgesloten in koolstofnanoporiën die doorgaans worden gebruikt in supercondensatoren. Het werk vertegenwoordigt de eerste studie die de moleculaire dynamica van de eerste beginselen en röntgenverstrooiing combineert om ruimtelijk beperkte IL's te analyseren, waardoor nieuwe inzichten ontstaan ​​in exotische eigenschappen die alleen voorkomen in deze uitzonderlijk kleine ruimtes.

Het team heeft experimenteel extreme verstoringen gedetecteerd in de structuur van de IL's, die op unieke wijze werd voorspeld en verklaard door hun simulaties. Het team toonde ook aan hoe afwijkingen van typisch vloeistofgedrag sterk afhingen van de relatieve grootte van de ionen en poriën. Eindelijk, ondanks significante afwijkingen in de structuur onder opsluiting, de studie geeft aan dat de superieure elektrochemische stabiliteit van IL's intact blijft, wat belangrijk is voor het behoud van de prestaties van apparaten voor energieopslag.

"Het echte succes is de integratie tussen kwantummechanische simulaties, op maat gemaakte synthese van nanomaterialen en geavanceerde röntgenkarakterisering. Deze krachtige combinatie van technieken biedt een veel vollediger begrip van de IL-structuur in extreem smalle poreuze koolstoffen, " zei Tuan Anh Pham, LLNL-wetenschapper in de Quantum Simulations Group en hoofdauteur van het papier. "De studie vertegenwoordigt de voortdurende inspanningen van LLNL bij het tot stand brengen van interdisciplinaire samenwerking op het gebied van energiematerialen, zoals het Laboratorium voor Energietoepassingen voor de Toekomst."

LLNL-onderzoekers en co-auteurs op het papier, Colin Loeb en Patrick Campbell, maakte gebruik van speciale laboratoriumkennis om de poriegroottes synthetisch af te stemmen binnen nanoporeuze koolstofaerogels met een groot oppervlak. Deze nieuwe materiële capaciteit stelde het team in staat om met synchrotron-röntgenstralen verschillende begrensde toestanden van de ionische vloeistoffen te onderzoeken en een uitgebreider beeld te vormen van de effecten van opsluiting op de structuur.

Voor dit werk, LLNL is een nieuwe samenwerking aangegaan met de Universiteit van Bayreuth in Duitsland om te profiteren van belangrijke expertise bij het karakteriseren van mesoschaalstructuren.

"Interface science is zo'n spannend gebied, waar we letterlijk slechts aan het oppervlak krabben van een atomistisch begrip van wat er werkelijk aan de hand is, " zei Mirijam Zobel, een faculteitslid van de afdeling Scheikunde aan de Universiteit van Bayreuth en co-auteur van het onderzoek. "Het is een lonende ervaring om deel uit te maken van dit internationale team en om onze kennis van grensvlakherstructurering van complexe vloeistoffen uit te breiden."

"Ik vind het geweldig hoe de verschillende facetten van ons team de grenzen verlegden van wat ze technisch of wetenschappelijk gewend waren om echt samen te integreren, " zei Eric Meshot, LLNL-wetenschapper en de hoofdonderzoeker van het project. "We hebben enkele belangrijke fundamentele inzichten kunnen ontdekken die belangrijke praktische implicaties hebben voor apparaten voor energieopslag. Nu bevinden we ons in een unieke positie om meer na te denken over hoe deze inzichten echte toepassingen ten goede kunnen komen."