La adsorción de iones del electrolito en la superficie de un electrodo es un proceso ubicuo, de uso para tecnologías de energía electroquímica existentes y emergentes. Pero, ¿qué sucede cuando estos iones penetran en espacios muy pequeños? Para abordar esta pregunta, Los investigadores de NC State reexaminaron el comportamiento de un material "clásico", birnessita.

La birnessita es una forma hidratada en capas de óxido de manganeso que puede almacenar y liberar rápidamente una variedad de iones positivos de los electrolitos durante muchos ciclos. Esto lo hace prometedor para su uso en almacenamiento de energía electroquímica de alta potencia, o en tecnologías electroquímicas emergentes como la desalinización y la recuperación de elementos raros del agua. Y lo que es más, es un material abundante, fácil de hacer, y no tóxico.

El mecanismo por el cual la birnessita puede captar y liberar cationes se ha descrito como faradaico (que implica transferencia de carga) y no faradaico (que implica solo adsorción de iones electrostáticos).

Para abordar este debate, los investigadores utilizaron enfoques tanto experimentales como computacionales.

"En la comunidad de almacenamiento de energía, normalmente pensamos que el almacenamiento de carga es faradaico o no faradaico, "dice Shelby Boyd, primer autor de un artículo sobre el trabajo e investigador postdoctoral en la Universidad Estatal de Carolina del Norte. "En interfaces planas, faradaico se refiere a la adsorción específica de un ion a un electrodo con la correspondiente transferencia de carga, como en una reacción redox. No faradaico se refiere a la adsorción puramente electrostática sin transferencia de carga. La gente ha presentado en gran medida estos mecanismos de almacenamiento de carga como mutuamente excluyentes. Pero lo que encontramos con la birnessita es que el agua estructural de la capa intermedia nanoconfinida mitiga las interacciones entre el catión intercalado y la birnessita. Esto da como resultado un comportamiento intermedio de los dos tipos de extremos de adsorción en las interfaces planas ".

Los investigadores también pudieron demostrar experimental y teóricamente que el agua entre las capas de birnessita está sirviendo efectivamente como un amortiguador que hace posible el comportamiento capacitivo sin causar un cambio estructural significativo en la birnessita.

Por último, los investigadores dicen que los hallazgos destacan dos direcciones futuras para el trabajo, ambos son prometedores para el campo más amplio de la electroquímica.

"El campo de la electroquímica está experimentando un renacimiento, "dice Veronica Augustyn, autor correspondiente del artículo y profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales en NC State. "La capacidad de conectar los resultados experimentales con el modelado a escala atomística de la interfaz electroquímica nos permite sondear más profundamente que nunca y hacer preguntas como:¿Qué papel juega el solvente? ¿Qué podría suceder cuando la reacción ocurre bajo confinamiento? Entendiendo la capacidad capacitiva mecanismo de un material como la birnessita, preparamos el escenario para comprender reacciones electroquímicas más complejas ".

El papel, "Efectos del confinamiento e hidratación de la capa intermedia sobre el almacenamiento de carga capacitiva en Birnessita, "viene de Materiales de la naturaleza .