Billeddannelse af akkumulerede ladninger ved fast-elektrolyt-grænseflader

Afgifter og deres transport er en integreret del af funktionen af ​​elektroniske enheder, batterier, og biologiske systemer. Ladningerne, der akkumuleres ved grænsefladen mellem en fast elektrode og en elektrolytisk opløsning, der indeholder ioner, der bærer ladninger, kan påvirke elektrode-elektrolyt-interaktionen såvel som processer såsom korrosion og molekylær adhæsion. Følgelig, det er vigtigt at få et klart billede af akkumulerede ladninger ved sådanne grænseflader for at forbedre vores forståelse af grænsefladefænomener i en række forskellige systemer. Imidlertid, billeddannelse af den tredimensionelle (3-D) rumlige fordeling af akkumulerede ladninger ved grænseflader har været vanskelig, fordi det er udfordrende at måle den laterale ladningsfordeling ved en fast-væske-grænseflade.

Et team baseret på Kanazawa University har udviklet en mikroskopi-tilgang kaldet 3-D åben-loop elektrisk potentialmikroskopi (OL-EPM) for at visualisere den reelle rumladningsfordeling ved grænsefladen mellem en elektrode og elektrolyt. Forskerne udviklede 3D OL-EPM ved først at optimere deres eksisterende todimensionelle OL-EPM-teknik.

"Konventionel OL-EPM er begrænset af indflydelsen fra lang rækkevidde interaktion mellem prøven og mikroskopspidsen og cantilever, " siger den første forfatter Kaito Hirata. "Vi minimerede denne indflydelse ved at forbedre ligningerne, der bruges til at beregne potentialet i OL-EPM."

Disse forbedrede ligninger gjorde det muligt at subtrahere den langtrækkende kraft, der virker på mikroskopets spids og cantilever fra de målte data. Som resultat, kortrækkende kræfter stammende fra ladninger akkumuleret i det elektriske dobbeltlag blev observeret som ændringer af det lokale overfladepotentiale. De forbedrede ligningers evne til at beregne grænsefladeladningsfordelinger blev bestemt ved hjælp af to elektroder med forskellig ladningsakkumuleringsadfærd. De modsatte ladningsakkumuleringsegenskaber ved de to elektroder blev med succes fanget ved hjælp af de forbedrede OL-EPM-ligninger.

Den forbedrede OL-EPM-tilgang blev derefter kombineret med en 3-D tip-scanningsteknik for at give 3-D OL-EPM. Holdet brugte 3-D OL-EPM til at visualisere ladningsakkumuleringen ved grænsefladen mellem en kobbertrådselektrode og saltelektrolyt. De opnåede resultater gav værdifuld information om ladningsfordelingen ved elektrode-elektrolyt-grænsefladen.

"Vi kan bruge 3-D OL-EPM til at undersøge elektrokemiske reaktioner og lokale opløsningsforhold ved elektrode-elektrolyt-grænseflader, " forklarer den tilsvarende forfatter Takeshi Fukuma. "Oplysningerne fra sådanne eksperimenter er vigtige for områder som elektrokemi, elektronik, og biologi."

Evnen til at opnå real-space data om nanoskala ladningsfordelingen ved elektroaktive grænseflader lover at øge vores forståelse af grænsefladefænomener og hjælpe med fremskridt inden for elektronik og batteriforskning.