Адсорбция ионов из электролита на поверхности электрода — это повсеместный процесс, который используется как в существующих, так и в новых технологиях электрохимической энергетики. Но что происходит, когда эти ионы проникают в очень маленькие пространства? Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи из NC State повторно изучили поведение «классического» материала, бирнессита.

Бирнессит — это гидратированная слоистая форма оксида марганца, которая может быстро накапливать и высвобождать различные положительные ионы из электролитов в течение многих циклов. Это делает его перспективным для использования в мощных электрохимических накопителях энергии или в новых электрохимических технологиях, таких как опреснение и извлечение редких элементов из воды. Более того, это богатый материал, простой в изготовлении и нетоксичный.

Механизм, с помощью которого бирнессит может поглощать и высвобождать катионы, был описан как фарадеевский (включая перенос заряда), так и нефарадеевский (связанный только с электростатической адсорбцией ионов).

Для решения этой дискуссии исследователи использовали как экспериментальный, так и вычислительный подходы.

«В сообществе накопителей энергии мы обычно думаем о накоплении заряда как о фарадеевском или нефарадеевском», — говорит Шелби Бойд, первый автор статьи о работе и научный сотрудник в Университете штата Северная Каролина. «На плоских границах раздела фарадеевская означает специфическую адсорбцию иона на электроде с соответствующей передачей заряда, как в окислительно-восстановительной реакции. Нефарадеевская означает чисто электростатическую адсорбцию без передачи заряда. Люди в основном представляют эти механизмы накопления заряда взаимоисключающими. Но что мы обнаружили с бирнесситом, так это то, что наноразмерная межслойная структурная вода смягчает взаимодействия между интеркалированным катионом и бирнесситом. Это приводит к промежуточному поведению по сравнению с двумя типами крайних значений адсорбции на плоских границах раздела».

Исследователи также смогли экспериментально и теоретически доказать, что вода между слоями бирнессита эффективно служит буфером, который делает возможным емкостное поведение, не вызывая значительных структурных изменений в бирнессите.

В конечном итоге, по словам исследователей, полученные результаты подчеркивают два будущих направления работы, оба из которых являются многообещающими для более широкой области электрохимии.

«Электрохимия переживает период возрождения», — говорит Вероника Августин, автор статьи и доцент кафедры материаловедения и инженерии в NC State. «Возможность связать экспериментальные результаты с моделированием электрохимической границы раздела в атомистическом масштабе позволяет нам исследовать глубже, чем когда-либо прежде, и задавать такие вопросы, как: Какую роль играет растворитель? Что может произойти, когда реакция протекает в замкнутом пространстве? Изучив механизм такого материала, как бирнессит, мы подготовили почву для понимания более сложных электрохимических реакций».