Scienziati in Russia e Armenia hanno previsto una nuova ricostruzione superficiale di RuO ₂ questo spiega l'origine dell'accumulo di carica nei supercondensatori. La miniaturizzazione dei dispositivi elettronici su scala nanometrica aumenterà il ruolo degli effetti di superficie e quantistici in termini di proprietà e stabilità dell'intero dispositivo. La scienza delle superfici è quindi diventata cruciale per i futuri progressi tecnologici.

Attualmente, RuO ₂ è il materiale più comunemente usato per applicazioni elettroniche come il rilevamento e la catalisi. È ampiamente usato nei supercondensatori come materiale catodico. Però, RuO ₂ ha sconcertato i ricercatori riguardo alla sua applicazione nei supercondensatori.

Generalmente, comportamento supercapacitivo si verifica come risultato del processo di doppia inserzione protone-elettrone. Ogni atomo di idrogeno (protone) adsorbito o intercalato indurrà pseudocapacità nel materiale del catodo. I risultati sperimentali mostrano pseudocapacità nel RuO ₂ catodi, ma non può spiegare l'origine dell'effetto, perché questo processo su scala atomica non può essere esaminato utilizzando le tecniche sperimentali disponibili. Una grande quantità di ricerca teorica è stata dedicata alla superficie di RuO ₂ con (110) orientamento cristallografico, che è più stabile in condizioni ambientali. Ancora, l'effetto pseudocapacitanza rimane inspiegabile.

"Abbiamo previsto la nuova ricostruzione termodinamicamente stabile del RuO ₂ superficie con (110) orientamento cristallografico, vale a dire RuO ₄ –(2×1). Questa ricostruzione ha un atomo di Ru a quattro coordinate e quattro atomi di ossigeno, due dei quali bicoordinati e gli altri due monocoordinati. Un'indagine dettagliata della stabilità mostra che una ricostruzione appena prevista ha un'energia superficiale inferiore rispetto alle superfici precedentemente studiate e alle terminazioni della superficie con orientamento cristallografico (110), e dovrebbe formarsi anche in condizioni ambientali, che non contraddice i dati sperimentali, " ha detto Alexander Kvashnin, un ricercatore dello Skoltech Center for Electrochemical Energy Storage e uno degli autori dello studio.

Per discriminare tra modelli strutturali, gli scienziati hanno utilizzato i risultati di esperimenti effettuati utilizzando la microscopia a scansione di trasmissione (STM). Hanno simulato le immagini STM di RuO ₄ –(2×1) ricostruzione insieme a una serie di superfici e ricostruzioni precedentemente proposte e confrontato le simulazioni con immagini STM disponibili sperimentalmente. Con loro sorpresa, non hanno riscontrato differenze tra le immagini, che li rendeva difficili da distinguere negli esperimenti. Pur essendo ugualmente coerente con le immagini STM sperimentali, la ricostruzione prevista ha un'energia inferiore ed è quindi preferibile.

Un'ulteriore indagine sulle proprietà elettrochimiche mostra che l'adsorbimento di idrogeno rispetto alla ricostruzione prevista è energeticamente favorevole, esibendo un'influenza predominante dell'intercalazione dell'idrogeno nella superficie del catodo, che contribuirebbe alla pseudocapacità. Questi risultati sono in netto contrasto con i risultati ottenuti da altre ricostruzioni e terminazioni superficiali in cui l'intercalazione dell'idrogeno è sfavorevole.

"Combinando i dati sull'energia superficiale più bassa del RuO . appena previsto ₄ –(2×1) ricostruzione superficiale di (110) superficie di RuO2, la perfetta corrispondenza dell'immagine STM simulata con i dati sperimentali e le proprietà elettrochimiche studiate, spieghiamo il contributo della reazione redox superficiale alla pseudocapacità di RuO ₂ catodi, che è dovuto alla speciale struttura atomica della ricostruzione superficiale della superficie (110), " ha detto Kvashnin I risultati del loro studio sono stati recentemente pubblicati in Rapporti scientifici .