Распределения плотности заряда двойных электрических слоев

Расширяя свой недавно разработанный метод электрохимической трехмерной атомно-силовой микроскопии (EC-3D-AFM), исследователи Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне получили профиль плотности заряда двойных электрических слоев (EDL) по глубине. С помощью статистического анализа, пиковой деконволюции и электростатических расчетов исследователи разработали трехмерную АСМ с профилированием заряда (CP-3D-AFM) для экспериментального количественного определения распределения заряда на границе раздела электрод-электролит.

Профессор материаловедения и инженерии Инцзе Чжан и аспирант машиностроения и инженерии Лалит Бонагири недавно опубликовали это исследование «Профилирование плотности заряда в реальном пространстве на границах раздела электрод-электролит с разрешением по глубине ангстрем» в АКС Нано.

Чжан и Бонагири объясняют, что ядром электрохимии является взаимопревращение между электрическим и химическая энергия на границе электрод-электролит, и такие процессы требуют накопления и истощения зарядов на границе раздела. Таким образом, пространственное распределение заряда является ключом к пониманию механизмов электрохимических процессов. Однако профили плотности заряда на этих границах раздела остаются загадкой.

Команда использовала ионную жидкость, бис(трифторметилсульфонил)имид 1-этил-3-метилимидазолия (EMIM-TFSI) в качестве электролита на высокоориентированном пиролитическом графитовом (ВОПГ) электроде. И EMIM-TFSI, и HOPG являются модельными системами, используемыми в устройствах накопления энергии и суперконденсаторах.

Они также использовали другой тип эмерджентного электролита: вода-в-соли (WiS), который состоит из высококонцентрированной соли в водном растворе (количество соли превышает количество растворителя). Электролиты WiS были впервые представлены в 2015 году, и с тех пор они широко исследуются как жизнеспособный вариант для создания аккумуляторов с повышенной безопасностью и меньшим воздействием на окружающую среду.

Экспериментальная техника, используемая в этом исследовании, основана на том, что команда использовала ранее, но с новыми методами анализа данных. Как говорит Бонагири: «Мы взяли эту технику [EC-3D-AFM] на следующий уровень, где мы деконволютируем гистограммы счета и получаем профили плотности заряда, используя электростатические алгоритмы».

Этот новый метод, названный CP-3D-AFM, позволяет получать пространственное распределение заряда как на поверхности локального электрода, так и на EDL. Команда использовала CP-3D-AFM для определения перегруппировки зарядов на интерфейсах ионная жидкость/ВОПГ и WiS/ВОПГ и наблюдала субнанометровые вариации плотности заряда, что имеет решающее значение для емкостного накопления энергии и других электрохимических функций этих систем.

Чжан и Бонагири говорят, что этот метод будет широко применим к широкому спектру практических электрохимических устройств, включая батареи, топливные элементы, электролизеры и суперконденсаторы.