Ya sea dentro de su computadora portátil o almacenando energía fuera de parques eólicos, necesitamos alta capacidad, duradero, y baterías seguras. En baterías, como en cualquier dispositivo electroquímico, Los procesos críticos ocurren donde el electrolito y el material activo se encuentran en el electrodo sólido. Sin embargo, determinar qué sucede en el punto de encuentro ha sido difícil porque, además de las moléculas activas, las interfaces contienen a menudo numerosos componentes inactivos. Dirigido por la Dra. Julia Laskin, becaria de laboratorio, Los científicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico han encontrado una manera de diseñar cuidadosamente interfaces tecnológicamente importantes mediante el aterrizaje suave de moléculas activas en una pequeña celda electroquímica de estado sólido. Empacaron el electrolito en una membrana sólida, depositó iones activos en la parte superior, y caracterizó la celda utilizando técnicas electroquímicas tradicionales. El dispositivo que construyeron les permite estudiar reacciones clave en tiempo real en entornos gaseosos controlados.

"Para aumentar el rendimiento, Necesitamos estudiar lo que ocurre dentro de las baterías o celdas de combustible:comprender los procesos en la interfaz en tiempo real a medida que ocurren las reacciones. "dijo el Dr. Venkateshkumar Prabhakaran, primer autor del estudio.

El dispositivo proporciona una forma de comprender las reacciones de avería básicas, acumulación de material, y otros procesos en la superficie del electrodo durante la operación. Poder recopilar esta información dinámica es vital para construir mejores baterías, celdas de combustible, y otros dispositivos energéticos. También es importante para mejorar la eficiencia de los procesos industriales a través de la electrocatálisis. "Estamos realizando una investigación fundamental sobre interfaces tecnológicamente relevantes de última generación, "dijo Laskin.

En PNNL, Los científicos diseñaron un dispositivo electroquímico para estudiar la interfaz electrodo-electrolito en tiempo real. El dispositivo utiliza una membrana sólida iónico-líquido, en vacío u otros entornos bien controlados, que tiene propiedades de transporte similares a un electrolito líquido.

La membrana sólida permite al equipo modificar la interfaz de electrolitos utilizando técnicas de aterrizaje suave de iones. Con aterrizaje suave, colocan moléculas activas bien caracterizadas en la interfaz. Estas moléculas incluyen grupos de metales catalíticos y especies de "baterías moleculares" activas redox capaces de contener una gran cantidad de electrones, candidatos potenciales para aumentar la capacidad de la batería.

En un nuevo y emocionante giro, los científicos también pueden agregar fragmentos moleculares a la célula. Crean los iones del fragmento "aplastando" las moléculas precursoras en la fase gaseosa. A continuación, estos fragmentos en fase gaseosa se pueden seleccionar y añadir a la membrana. El resultado es una película bien definida que normalmente no se puede hacer en solución. "Esto nos da acceso a una amplia gama de especies que no son estables en condiciones normales y nos permite comprender la contribución de los componentes básicos individuales a la actividad general de las moléculas parentales". "dijo el Dr. Grant Johnson, un químico de PNNL y miembro del equipo.

Cuando los racimos de tierra suave se difunden a través de la membrana extremadamente delgada y alcanzan la superficie del electrodo del dispositivo de nuevo diseño, el equipo tiene una especie activa detallada y definida con precisión que pueden examinar utilizando varias técnicas electroquímicas y espectroscópicas. Una vez en la interfaz, el equipo puede estudiar cómo las moléculas activas cambian el transporte de electrones, aumentar la capacidad o agotarla, por ejemplo.

Los investigadores están utilizando el dispositivo para estudiar cómo los grupos de metales nobles de tierras blandas modifican el dióxido de carbono para convertir este contaminante común en materias primas químicas más valiosas.