Forskere forklarer pseudocapacitansfænomenet i superkondensatorer

Forskere i Rusland og Armenien har forudsagt en ny overfladerekonstruktion af RuO ₂ det forklarer oprindelsen af ​​ladningslagring i superkondensatorer. Miniaturiseringen af ​​elektroniske enheder til nanometerskalaen vil øge rollen af ​​overflade- og kvanteeffekter med hensyn til egenskaberne og stabiliteten af ​​hele enheden. Overfladevidenskab er derfor blevet afgørende for fremtidige teknologiske fremskridt.

På nuværende tidspunkt RuO ₂ er det mest almindeligt anvendte materiale til elektroniske applikationer såsom sensing og katalyse. Det er meget udbredt i superkondensatorer som katodemateriale. Imidlertid, RuO ₂ har undret forskere med hensyn til dets anvendelse i superkondensatorer.

Som regel, superkapacitiv adfærd opstår som et resultat af proton-elektron dobbelt indsættelsesprocessen. Hvert adsorberet eller interkaleret hydrogenatom (proton) vil inducere pseudocapacitans i katodematerialet. Eksperimentelle resultater viser pseudocapacitans i RuO ₂ katoder, men kan ikke forklare virkningens oprindelse, fordi denne proces i atomskala ikke kan undersøges ved hjælp af tilgængelige eksperimentelle teknikker. En stor del teoretisk forskning har været viet til overfladen af ​​RuO ₂ med (110) krystallografisk orientering, som er mest stabil under omgivende forhold. Stadig, pseudokapacitanseffekten forbliver uforklarlig.

"Vi forudsagde den nye termodynamisk stabile rekonstruktion af RuO ₂ overflade med (110) krystallografisk orientering, nemlig RuO ₄ –(2×1). Denne rekonstruktion har et fire-koordinat Ru-atom og fire oxygenatomer, hvoraf to er to-koordinater og de to andre er en-koordinater. En detaljeret undersøgelse af stabiliteten viser, at en nyligt forudsagt rekonstruktion har lavere overfladeenergi sammenlignet med tidligere undersøgte overflader og afslutninger af overflade med (110) krystallografisk orientering, og bør dannes selv under omgivende forhold, som ikke modsiger eksperimentelle data, " sagde Alexander Kvashnin, en forsker ved Skoltech Center for Electrochemical Energy Storage og en af ​​undersøgelsens forfattere.

For at skelne mellem strukturelle modeller, forskere brugte resultaterne af eksperimenter udført ved hjælp af scanning transmission microscopy (STM). De simulerede STM-billederne af RuO ₄ –(2×1) rekonstruktion sammen med en række tidligere foreslåede overflader og rekonstruktioner og sammenlignede simuleringerne med eksperimentelt tilgængelige STM-billeder. Til deres overraskelse, de fandt ingen forskelle mellem billederne, hvilket gjorde dem svære at skelne i eksperimenter. Selvom det er lige så i overensstemmelse med eksperimentelle STM-billeder, forudsagt rekonstruktion er lavere i energi og er derfor at foretrække.

En yderligere undersøgelse af elektrokemiske egenskaber viser, at brintadsorption i forhold til den forudsagte rekonstruktion er energetisk gunstig, udviser en overvejende indflydelse af brintinterkalation i katodeoverfladen, hvilket ville bidrage til pseudocapacitans. Disse resultater står i skarp kontrast til de opnåede resultater fra andre overfladerekonstruktioner og afslutninger, hvor brintinterkalation er ugunstig.

"Kombinering af data om den laveste overfladeenergi af den nyligt forudsagte RuO ₄ –(2×1) overfladerekonstruktion af (110) overflade af RuO2, det perfekte match af simuleret STM-billede med eksperimentelle data og studerede elektrokemiske egenskaber, vi forklarer bidraget fra overfladeredoxreaktionen til pseudokapaciteten af ​​RuO ₂ katoder, hvilket skyldes den specielle atomare struktur af overfladerekonstruktionen af ​​(110) overflade, " sagde Kvashnin. Resultaterne af deres undersøgelse blev for nylig offentliggjort i Videnskabelige rapporter .