Birnessite -undersøgelse giver indsigt i elektrokemi, energilagring

Adsorptionen af ​​ioner fra elektrolytten ved en elektrodeoverflade er en allestedsnærværende proces, brug for både eksisterende og nye elektrokemiske energiteknologier. Men hvad sker der, når disse ioner trænger ind i meget små rum? For at løse dette spørgsmål, forskere ved NC State genundersøgte adfærden for et "klassisk" materiale, birnessit.

Birnessite er en hydreret lagdelt form af manganoxid, der hurtigt kan lagre og frigive en række positive ioner fra elektrolytter i mange cyklusser. Dette gør det lovende til brug i elektrokemisk energilagring med høj effekt, eller i nye elektrokemiske teknologier såsom afsaltning og sjældent elementindvinding fra vand. Hvad mere er, det er et rigeligt materiale, let at lave, og ikke-giftige.

Mekanismen, hvormed birnessit kan optage og frigive kationer, er blevet beskrevet som både faradaisk (involverer ladningsoverførsel) og ikke-faradaisk (involverer kun elektrostatisk ionadsorption).

For at løse denne debat, forskerne brugte både eksperimentelle og beregningsmæssige tilgange.

"I energilagringssamfundet, vi tænker normalt på oplagring som enten faradaisk eller ikke-faradaisk, "siger Shelby Boyd, første forfatter til et papir om arbejdet og en postdoktorforsker ved North Carolina State University. "På plane grænseflader, faradaic refererer til den specifikke adsorption af en ion til en elektrode med tilsvarende ladningsoverførsel, som ved en redoxreaktion. Ikke-faradaisk refererer til rent elektrostatisk adsorption uden ladningsoverførsel. Folk har stort set præsenteret disse mekanismer til opbevaring af ladninger som udelukkende fra hinanden. Men hvad vi fandt med birnessit er, at det nanokonfinerede mellemlags strukturelle vand formindsker interaktionerne mellem interkalkeret kation og birnessitten. Dette resulterer i en mellemliggende adfærd fra de to typer adsorptionsekstremer ved plane grænseflader. "

Forskerne kunne også eksperimentelt og teoretisk bevise, at vand mellem lagene af birnessit effektivt fungerer som en buffer, der muliggør kapacitiv adfærd uden at forårsage væsentlig strukturel ændring i birnessitten.

Ultimativt, forskerne siger, at resultaterne fremhæver to fremtidige retninger for arbejdet, som begge er lovende for det bredere område inden for elektrokemi.

"Elektrokemifeltet gennemgår en renæssance, "siger Veronica Augustyn, tilsvarende forfatter til papiret og en adjunkt i materialevidenskab og teknik ved NC State. "Evnen til at forbinde eksperimentelle resultater med atomistisk skala-modellering af den elektrokemiske grænseflade gør det muligt for os at undersøge dybere end nogensinde før og stille spørgsmål som:Hvilke roller spiller opløsningsmidlet? Hvad kan der ske, når reaktionen sker under indespærring? Ved at forstå kapacitiv mekanisme af et materiale som birnessit, vi satte scenen for at forstå mere komplekse elektrokemiske reaktioner. "

Papiret, "Virkninger af mellemlagsindeslutning og hydrering på kapacitiv ladningsopbevaring i Birnessite, "kommer fra Naturmaterialer .