Sia all'interno del tuo computer portatile che per immagazzinare energia all'esterno dei parchi eolici, abbiamo bisogno di alta capacità, di lunga durata, e batterie sicure. Nelle batterie, come in qualsiasi dispositivo elettrochimico, i processi critici si verificano dove l'elettrolita e il materiale attivo si incontrano all'elettrodo solido. Però, determinare cosa succede nel punto di incontro è stato difficile perché oltre alle molecole attive, le interfacce spesso contengono numerosi componenti inattivi. Guidato dalla collega di laboratorio Dr. Julia Laskin, gli scienziati del Pacific Northwest National Laboratory hanno ora trovato un modo per progettare accuratamente interfacce tecnologicamente importanti atterrando dolcemente molecole attive su una piccola cella elettrochimica a stato solido. Hanno impacchettato l'elettrolita in una membrana solida, ioni attivi depositati sopra, e caratterizzato la cella utilizzando tecniche elettrochimiche tradizionali. Il dispositivo che hanno costruito consente loro di studiare le reazioni chiave in tempo reale in ambienti gassosi controllati.

"Per aumentare le prestazioni, dobbiamo studiare cosa avviene all'interno delle batterie o delle celle a combustibile, comprendere i processi all'interfaccia in tempo reale mentre si verificano le reazioni, " ha detto il dottor Venkateshkumar Prabhakaran, primo autore dello studio.

Il dispositivo fornisce un modo per comprendere le reazioni di rottura di base, accumulo di materiale, e altri processi sulla superficie dell'elettrodo durante il funzionamento. Essere in grado di raccogliere queste informazioni dinamiche è fondamentale per costruire batterie migliori, celle a combustibile, e altri dispositivi energetici. È importante anche per migliorare l'efficienza dei processi industriali attraverso l'elettrocatalisi. "Stiamo facendo ricerche fondamentali su interfacce tecnologicamente rilevanti all'avanguardia, " disse Laskin.

Al PNNL, gli scienziati hanno progettato un dispositivo elettrochimico per studiare l'interfaccia elettrodo-elettrolita in tempo reale. Il dispositivo utilizza una membrana ionico-liquida solida, nel vuoto o in altri ambienti ben controllati, che ha proprietà di trasporto simili a un elettrolita liquido.

La membrana solida consente al team di modificare l'interfaccia dell'elettrolita utilizzando tecniche di atterraggio morbido di ioni. Con atterraggio morbido, mettono molecole attive ben caratterizzate all'interfaccia. Queste molecole includono cluster di metalli catalitici e specie di "batterie molecolari" redox-attive in grado di contenere un gran numero di elettroni, potenziali candidati per aumentare la capacità della batteria.

In una nuova entusiasmante svolta, gli scienziati possono anche aggiungere frammenti molecolari alla cellula. Creano gli ioni frammento "distruggendo" le molecole precursori nella fase gassosa. Questi frammenti in fase gassosa possono quindi essere selezionati e aggiunti alla membrana. Il risultato è un film ben definito che in genere non è possibile realizzare in soluzione. "Questo ci dà accesso a un'ampia gamma di specie che non sono stabili in condizioni normali e ci consente di comprendere il contributo dei singoli elementi costitutivi all'attività complessiva delle molecole progenitrici, " ha detto il dottor Grant Johnson, un chimico PNNL e membro del team.

Quando i cluster a atterraggio morbido si diffondono attraverso la membrana estremamente sottile e raggiungono la superficie dell'elettrodo del dispositivo di nuova concezione, il team ha una specie attiva dettagliata e definita con precisione che può esaminare utilizzando diverse tecniche elettrochimiche e spettroscopiche. Una volta all'interfaccia, il team può studiare come le molecole attive modificano il trasporto degli elettroni, aumentare la capacità o esaurirla, Per esempio.

I ricercatori stanno utilizzando il dispositivo per studiare come i cluster di metalli nobili sbarcati modificano l'anidride carbonica per aggiornare questo inquinante comune a materie prime chimiche più preziose.