L'adsorbimento di ioni dall'elettrolita sulla superficie di un elettrodo è un processo onnipresente, di utilizzo sia per le tecnologie energetiche elettrochimiche esistenti che per quelle emergenti. Ma cosa succede quando questi ioni penetrano in spazi molto piccoli? Per rispondere a questa domanda, i ricercatori della NC State hanno riesaminato il comportamento di un materiale "classico", birnessite.

La birnessite è una forma a strati idratata di ossido di manganese che può immagazzinare e rilasciare rapidamente una varietà di ioni positivi dagli elettroliti per molti cicli. Ciò lo rende promettente per l'uso nello stoccaggio di energia elettrochimica ad alta potenza, o nelle tecnologie elettrochimiche emergenti come la desalinizzazione e il recupero di elementi rari dall'acqua. Cosa c'è di più, è un materiale abbondante, facile da fare, e non tossico.

Il meccanismo attraverso il quale la birnessite può assorbire e rilasciare cationi è stato descritto sia come faradico (che coinvolge il trasferimento di carica) che come non-faradaico (che coinvolge solo l'assorbimento di ioni elettrostatici).

Per affrontare questo dibattito, i ricercatori hanno utilizzato approcci sia sperimentali che computazionali.

"Nella comunità dello stoccaggio di energia, normalmente pensiamo che l'accumulazione di carica sia faradaica o non faradaica, "dice Shelby Boyd, primo autore di un articolo sul lavoro e ricercatore post-dottorato presso la North Carolina State University. "Alle interfacce planari, faradaico si riferisce all'adsorbimento specifico di uno ione su un elettrodo con corrispondente trasferimento di carica, come in una reazione redox. Non faradaico si riferisce all'adsorbimento puramente elettrostatico senza trasferimento di carica. Le persone hanno ampiamente presentato questi meccanismi di accumulo di carica come si escludono a vicenda. Ma quello che abbiamo scoperto con la birnessite è che l'acqua strutturale intercalare nanoconfinata mitiga le interazioni tra il catione intercalato e la birnessite. Ciò si traduce in un comportamento intermedio dei due tipi di estremi di adsorbimento alle interfacce planari".

I ricercatori sono stati anche in grado di dimostrare sperimentalmente e teoricamente che l'acqua tra gli strati di birnessite funge efficacemente da tampone che rende possibile il comportamento capacitivo senza causare significativi cambiamenti strutturali nella birnessite.

In definitiva, i ricercatori affermano che i risultati evidenziano due direzioni future per il lavoro, entrambi i quali sono promettenti per il campo più ampio dell'elettrochimica.

"Il campo dell'elettrochimica sta vivendo una rinascita, "dice Veronica Augustyn, autore corrispondente della carta e un assistente professore di scienza dei materiali e ingegneria presso NC State. "La capacità di collegare i risultati sperimentali con la modellazione su scala atomica dell'interfaccia elettrochimica ci consente di sondare più in profondità che mai e di porre domande come:quali ruoli gioca il solvente? Cosa potrebbe accadere quando la reazione si verifica in condizioni di confinamento? meccanismo di un materiale come la birnessite, abbiamo posto le basi per la comprensione di reazioni elettrochimiche più complesse."

La carta, "Effetti del confinamento dello strato intermedio e dell'idratazione sull'immagazzinamento di carica capacitiva nella Birnessite, " è in arrivo da Materiali della natura .