I ricercatori che lavorano all'interno del programma Separations Science del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) sono riusciti a combinare un modo altamente controllato di modificare le superfici, chiamato atterraggio morbido ionico, con una cella elettrochimica progettata e costruita dal PNNL per ottenere un controllo preciso sulla composizione chimica di interfacce complesse. Una volta raggiunto, questo ha permesso loro di apportare modifiche atomo per atomo agli elettrodi per studiarne l'effetto su prestazioni e stabilità.

Gli esperimenti, combinato con calcoli teorici di collaboratori in Spagna, sono stati pubblicati in an ACS Nano articolo intitolato "Controllo dell'attività e della stabilità delle interfacce elettrochimiche utilizzando la sostituzione del metallo atomo per atomo delle specie redox". Hanno rivelato che la sostituzione di solo da uno a tre atomi di tungsteno con atomi di molibdeno in complessi cluster metallo-atomo ha portato a un pronunciato miglioramento del loro comportamento elettronico, che controlla l'efficienza con cui queste specie accettano gli elettroni per le applicazioni di separazione.

Nei dispositivi elettrochimici utilizzati per le separazioni, le interfacce sono complesse. Succedono molte cose in una volta sotto forma di ioni elettroattivi, molecole di solvente, e gli elettroliti di supporto interagiscono, scambio di elettroni e massa durante i processi di trasferimento di carica. Per comprendere questi processi, è necessario disaccoppiare il diverso trasferimento di carica e le interazioni ioniche che si verificano sugli elettrodi. In questo studio, i ricercatori hanno fatto proprio questo, e inoltre, esercitava il controllo sul processo sintonizzando gli elettrodi a livello atomico.

"Le intuizioni atomicamente precise ottenute dai nostri esperimenti e calcoli teorici ci hanno permesso di sviluppare interfacce elettrochimiche efficienti utilizzando anioni super-attivi che non sarebbero stati identificati utilizzando tecniche convenzionali che campionano miscele eterogenee, " ha detto il chimico PNNL Venkateshkumar Prabhakaran, autore principale dello studio. "Questo approccio può essere ampiamente adottato per studiare le interfacce elettrochimiche in altre tecnologie correlate, che può aiutare le esigenze future della nazione nelle separazioni chimiche, generazione di energia, e deposito."

I ricercatori stanno ora studiando come modulare l'efficienza della separazione di diversi ioni in soluzione utilizzando elettrodi ben definiti con anioni e strati di membrana controllati con precisione. Le intuizioni fondamentali acquisite nella comprensione delle interfacce elettrochimiche a livello molecolare possono servire come base per la progettazione di elettrodi superiori per le separazioni, o anche lo stoccaggio di energia, alla scala del dispositivo.