Kombineret tilgang til sondering af grænsefladeelektrokemi mere detaljeret

Ved hjælp af en todelt tilgang, der hjælper med at forstå og designe mere effektive energilagringssystemer, RIKEN elektrokemikere har undersøgt fordelingen af ​​elektriske ladninger ved grænsefladen mellem elektroden og elektrolytten.

Design af effektive batterier og brændselsceller kræver at vide, hvordan ioner og elektroner opfører sig ved grænsefladen mellem elektroden og elektrolytten - den løsning, hvori elektroden er nedsænket. Ved påføring af en spænding, elektroden bliver ladet, og ioner med den modsatte ladning begynder at akkumulere på dens overflade. Ionerne danner et lag på elektroden med deres koncentration faldende med afstanden fra elektroden. Men forholdet mellem ionernes struktur og de elektrokemiske egenskaber ved elektrode -elektrolytgrænsefladen er ikke godt forstået.

Nu, Raymond Wong fra RIKEN Surface and Interface Science Laboratory og hans kolleger har undersøgt energien og strukturen i den ladede grænseflade mellem en guldelektrode og forskellige elektrolytter (fig. 1).

De gjorde dette ved at samle et monolag af redox-aktive molekyler på elektrodeoverfladen. Den ene ende af disse langkædede molekyler bundet til elektroden, mens den anden - et ferrocenhoved indeholdende et jernatom - blev udsat for elektrolytten. Ferrocenenheden kan let oxideres og reduceres ved at anvende en passende spænding, der får den til at skifte mellem neutrale og positivt ladede tilstande. Et sådant ferrocenmonolag er en ideel sonde til at undersøge de strukturelle og energiforandringer, der opstår som følge af kompensation af monolagsladningen med forskellige slags anioner i elektrolytten.

Wong og kolleger kombinerede cyklisk voltammetri, som rutinemæssigt bruges i elektrokemi, med fotoelektronspektroskopi, som giver direkte information om elektronernes adfærd ved elektrode -monolag -elektrolytgrænsefladen. De udførte de elektrokemiske målinger i et kammer, som derefter blev evakueret og overført til et ultrahøjvakuumkammer, hvor de udførte de spektroskopiske målinger. Denne procedure gjorde det muligt for teamet at få snapshots af elektrode -monolag -elektrolytgrænsefladen under forskellige anvendte potentialer.

"Vores mål var at opnå en forbedret forståelse af elektrode -elektrolytgrænsefladen på mikroskopisk og molekylært niveau, som ikke er let tilgængelig med andre elektrokemiske eller in situ -metoder, "forklarer Wong.

Metoden er alsidig og kan anvendes på andre systemer, Wong påpeger. "Vores metode kan udvides til at studere grænsefladeenergien i halvledende elektroder og kan give mere indsigt i elektrolyteffekter og grænsefladeenergi i andre overfladebundne redox-aktive systemer med relevans i biokemisk sansning, redox-inducerede nanoaktuatorer og pseudokapacitiv energilagring. "