Utilizzando un duplice approccio che aiuterà a comprendere e progettare sistemi di accumulo di energia più efficienti, Gli elettrochimici RIKEN hanno esplorato la distribuzione delle cariche elettriche all'interfaccia tra l'elettrodo e l'elettrolita.

La progettazione di batterie e celle a combustibile efficienti richiede la conoscenza del comportamento di ioni ed elettroni all'interfaccia tra l'elettrodo e l'elettrolita, la soluzione in cui è immerso l'elettrodo. Applicando una tensione, l'elettrodo si carica e gli ioni con carica opposta iniziano ad accumularsi sulla sua superficie. Gli ioni formano uno strato sull'elettrodo la cui concentrazione decresce con la distanza dall'elettrodo. Ma la relazione tra la struttura degli ioni e le proprietà elettrochimiche dell'interfaccia elettrodo-elettrolita non è ben compresa.

Ora, Raymond Wong del RIKEN Surface and Interface Science Laboratory e i suoi colleghi hanno sondato l'energia e la struttura dell'interfaccia carica tra un elettrodo d'oro e vari elettroliti (Fig. 1).

Lo hanno fatto assemblando un monostrato di molecole redox-attive sulla superficie dell'elettrodo. Un'estremità di queste molecole a catena lunga legate all'elettrodo, mentre l'altra, una testa di ferrocene contenente un atomo di ferro, è stata esposta all'elettrolita. L'unità di ferrocene può essere facilmente ossidata e ridotta applicando una tensione appropriata che la faccia commutare tra gli stati neutri e quelli di carica positiva. Un tale monostrato di ferrocene è una sonda ideale per esplorare i cambiamenti strutturali ed energetici derivanti dalla compensazione della carica del monostrato da parte di diversi tipi di anioni nell'elettrolita.

Wong e collaboratori hanno combinato la voltammetria ciclica, che viene abitualmente utilizzato in elettrochimica, con spettroscopia fotoelettronica, che fornisce informazioni dirette sul comportamento degli elettroni all'interfaccia elettrodo-monostrato-elettrolita. Hanno eseguito le misurazioni elettrochimiche in una camera, che è stato poi evacuato e trasferito in una camera ad altissimo vuoto, dove hanno condotto le misurazioni spettroscopiche. Questa procedura ha consentito al team di ottenere istantanee dell'interfaccia elettrodo-monostrato-elettrolita sotto diversi potenziali applicati.

"Il nostro obiettivo era quello di ottenere una migliore comprensione dell'interfaccia elettrodo-elettrolita a livello microscopico e molecolare, che non è facilmente accessibile con altri metodi elettrochimici o in situ, " spiega Wong.

Il metodo è versatile e può essere applicato ad altri sistemi, sottolinea Wong. "Il nostro metodo può essere esteso per studiare l'energia interfacciale negli elettrodi semiconduttori e può fornire maggiori informazioni sugli effetti degli elettroliti e sull'energia interfacciale in altri sistemi attivi redox legati alla superficie con rilevanza nel rilevamento biochimico, nanoattuatori indotti da redox e accumulo di energia pseudocapacitivo".