Præcisionskontrol af komplekse elektrokemiske grænseflader til separationer

Forskere, der arbejder inden for Pacific Northwest National Laboratory's (PNNL's) Separations Science-program lykkedes med at koble en meget kontrolleret måde at modificere overflader på, kaldet ion blød landing, med en PNNL-designet og bygget elektrokemisk celle for at opnå præcis kontrol over den kemiske sammensætning af komplekse grænseflader. Når først det er opnået, dette gjorde det muligt for dem at foretage atom-for-atom ændringer af elektroder for at studere effekten på ydeevne og stabilitet.

Eksperimenterne, kombineret med teoretiske beregninger fra samarbejdspartnere i Spanien, blev offentliggjort i en ACS Nano artikel med titlen "Kontrol af aktiviteten og stabiliteten af ​​elektrokemiske grænseflader ved hjælp af atom-for-atom metalsubstitution af redoxarter." De afslørede, at substitution af kun et til tre wolframatomer med molybdænatomer i komplekse metalatomklynger resulterede i en markant forbedring af deres elektroniske adfærd, som styrer, hvor effektivt disse arter accepterer elektroner til separationsapplikationer.

I elektrokemiske anordninger, der anvendes til separationer, grænsefladerne er komplekse. Der foregår meget på én gang som elektroaktive ioner, opløsningsmiddelmolekyler, og understøttende elektrolytter interagerer, udveksling af elektroner og masse under ladningsoverførselsprocesser. For at forstå disse processer, det er nødvendigt at afkoble de forskellige ladningsoverførsel og ioniske interaktioner, der forekommer på elektroder. I dette studie, forskerne gjorde netop det, og videre, udøvede kontrol over processen ved at indstille elektroder på atomniveau.

"Den atomære præcise indsigt opnået fra vores eksperimenter og teoretiske beregninger gjorde det muligt for os at udvikle effektive elektrokemiske grænseflader ved hjælp af superaktive anioner, der ikke ville være blevet identificeret ved hjælp af konventionelle teknikker, der prøver heterogene blandinger, " sagde PNNL kemiker Venkateshkumar Prabhakaran, hovedforfatter af undersøgelsen. "Denne tilgang kan anvendes bredt til at studere elektrokemiske grænseflader i andre relaterede teknologier, som kan hjælpe nationens fremtidige behov for kemiske adskillelser, energiproduktion, og opbevaring."

Forskerne studerer nu, hvordan man kan modulere effektiviteten af ​​at adskille forskellige ioner i opløsning ved hjælp af veldefinerede elektroder med præcist kontrollerede anioner og membranlag. Den grundlæggende indsigt opnået i at forstå elektrokemiske grænseflader på molekylært niveau kan tjene som grundlag for at designe overlegne elektroder til separationer, eller endda energilagring, på enhedsskalaen.