Los científicos ahora pueden sondear directamente una capa de química que antes era difícil de ver gracias a un conjunto de herramientas de rayos X único desarrollado en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía Berkeley Lab. Las herramientas y técnicas de rayos X podrían ampliarse, dicen los investigadores, para proporcionar una nueva perspectiva sobre el rendimiento y la corrosión de la batería, una amplia gama de reacciones químicas e incluso procesos biológicos y ambientales que dependen de una química similar.
En un experimento único en su tipo en la Fuente de luz avanzada de Berkeley Lab, una fuente de rayos X conocida como sincrotrón, los investigadores demostraron esta nueva forma directa de estudiar el funcionamiento interno de un centro de actividad en química conocido como"doble capa electroquímica" que se forma donde los líquidos se encuentran con los sólidos, donde el fluido de la batería el electrolito se encuentra con un electrodo, por ejemplo las baterías tienen dos electrodos: un ánodo y un cátodo.
Un avance clave que permitió el último experimento fue adaptar los rayos X "tiernos", que tienen un rango de energía sintonizado en un término medio entre el típico de alta energía o "duro" y de baja energía o "suave"" Rayos X utilizados en la investigación: para centrarse en la química dentro de la doble capa de un sistema electroquímico de muestra. El estudio relacionado se publicó el 31 de agosto en Comunicaciones de la naturaleza .
Profundizando en la doble capa
En una batería, esta doble capa electroquímica describe la capa de átomos cargados o moléculas en el fluido de la batería que se atraen y se adhieren a la superficie del electrodo debido a su carga eléctrica opuesta, un paso esencial en el funcionamiento de la batería.y una segunda zona de actividad química estrechamente relacionada que se ve afectada por la química en la superficie del electrodo. La compleja danza a escala molecular del flujo de carga y la transferencia dentro de la doble capa de una batería es fundamental para su función.
El último trabajo muestra cambios en el "potencial" eléctrico en esta doble capa. Este potencial es una medida basada en la ubicación del efecto de un campo eléctrico en un objeto; se encontraría un mayor potencial en una carga eléctrica que se mueve haciauna bombilla y fluye a un potencial más bajo después de encender la bombilla.
"Ser capaz de sondear directamente cualquier atributo de la doble capa es un avance significativo", dijo Ethan Crumlin, un científico investigador del ALS de Berkeley Lab que dirigió el experimento. "Esencialmente, ahora tenemos un mapa directo que muestra el potencialdentro del cambio de doble capa basado en los ajustes de la carga del electrodo y la concentración del electrolito. Independientemente de un modelo, podemos ver esto directamente: es literalmente una imagen del sistema en ese momento ".
Añadió: "Esto nos ayudará con la orientación de modelos teóricos, así como el diseño de materiales y el desarrollo de sistemas electroquímicos, ambientales, biológicos y químicos mejorados"
La nueva técnica enfrenta un problema de décadas
Zahid Hussain, subdirector de la división de apoyo científico de la ALS, que participó en el experimento, agregó: "El problema de comprender las interfaces sólido / líquido se conoce desde hace más de 50 años; todos han estado usando simulaciones y modelos para probarpara concebir lo que está funcionando ". El último trabajo ha reducido la lista de modelos candidatos que explican lo que está funcionando en la doble capa.
Hussain hace más de una década había ayudado a ser pioneros en herramientas y técnicas de rayos X en la ALS, que desde entonces han adoptado docenas de otros sitios de investigación, que permiten a los investigadores estudiar otra clase importante de reacciones químicas: las que ocurren entre sólidos ygases.
También había una clara necesidad de crear nuevas herramientas de estudio para las reacciones sólido / líquido, dijo. "Las interfaces sólido / líquido son clave para todo tipo de investigación, desde baterías hasta pilas de combustible y fotosíntesis artificial", la última que buscapara sintetizar la conversión de la luz solar en energía de las plantas.
Hubert Gasteiger, profesor de química en la Universidad Técnica de Munich y catedrático de electroquímica técnica de la universidad que está familiarizado con el último experimento, dijo: "Este trabajo ya es bastante aplicable a problemas reales", ya que proporciona una nueva perspectiva sobre eldistribución potencial dentro de la doble capa.
"Nadie ha podido examinar esta región de aproximadamente 10 nanómetros de espesor de la doble capa electroquímica de esta manera antes", dijo. "Este es uno de los primeros artículos en los que se tiene una sonda de la distribución de potencialaquí. Creo que usar esta herramienta para validar modelos de doble capa nos daría una idea de muchos sistemas electroquímicos que son de relevancia industrial ".
Sondeo de química activa en condiciones cambiantes
En el experimento, investigadores de Berkeley Lab y Shanghai estudiaron la química activa de un electrodo de oro y un electrolito que contenía agua que también contenía una molécula con carga neutra llamada pirazina. Utilizaron una técnica llamada espectroscopia de fotoelectrones de rayos X a presión ambiental APXPS para medir la distribución de potencial de las moléculas de agua y pirazina a través de la interfaz sólido / líquido en respuesta a cambios en el potencial del electrodo y la concentración de electrolito.
El experimento demostró una forma nueva y directa de medir con precisión una caída potencial en la energía eléctrica almacenada dentro de la solución de electrolitos de la doble capa. Estas mediciones también permitieron a los investigadores determinar las propiedades de carga asociadas a través de la interfaz conocido como el "potencial de carga cero"o" pzc ".
Actualización, la nueva línea de luz mejorará los estudios
Es importante destacar que la técnica se adapta bien a la química activa y hay planes para agregar nuevas capacidades para hacer que esta técnica sea más robusta para estudiar detalles más finos durante el curso de reacciones químicas y para incorporar otras técnicas complementarias de estudio de rayos Xpara agregar nuevos detalles, dijo Hussain.
Una actualización de la línea de rayos X donde se llevó a cabo el experimento está en progreso y se espera que concluya a principios del próximo año. Además, una nueva línea de rayos combinará esta y otras capacidades de rayos X para la investigación relacionada con la energía., denominado AMBER Advanced Materials Beamline for Energy Research está en construcción en el ALS y está programado para comenzar a operar en 2018.
"Lo que es absolutamente clave para estos nuevos experimentos es que se llevarán a cabo en condiciones reales de funcionamiento, en una celda electroquímica en funcionamiento", dijo Hussain. "En última instancia, seremos capaces de comprender cómo se comporta un material hastanivel de electrones y átomos, y también para comprender la transferencia de carga y la corrosión, "un problema clave en la longevidad de la batería.
Investigadores del Centro Conjunto para la Fotosíntesis Artificial, el Centro Conjunto para la Investigación del Almacenamiento de Energía, el Instituto de Ciencia y Tecnología de Gwangju en la República de Corea, el Instituto de Microsistemas y Tecnología de la Información de Shanghai en China, y la Escuela de Ciencias Físicas yTechnology in China participó en esta investigación. El trabajo contó con el apoyo de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU., La Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China y el Centro de Investigación Científica de la Academia China de Ciencias-Shanghai.
La fuente de luz avanzada es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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