Los investigadores que trabajan en el programa de Ciencia de Separaciones del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) lograron acoplar una forma altamente controlada de modificar superficies, llamado aterrizaje suave de iones, con una celda electroquímica construida y diseñada por PNNL para lograr un control preciso sobre la composición química de interfaces complejas. Una vez logrado, esto les permitió realizar cambios átomo por átomo en los electrodos para estudiar el efecto sobre el rendimiento y la estabilidad.

Los experimentos combinado con cálculos teóricos de colaboradores en España, fueron publicados en un ACS Nano artículo titulado "Control de la actividad y estabilidad de las interfaces electroquímicas mediante la sustitución de metales átomo por átomo de especies redox". Revelaron que la sustitución de solo uno a tres átomos de tungsteno por átomos de molibdeno en grupos complejos de átomos metálicos resultó en una mejora pronunciada en su comportamiento electrónico. que controla la eficiencia con la que estas especies aceptan electrones para aplicaciones de separación.

En dispositivos electroquímicos utilizados para separaciones, las interfaces son complejas. Están sucediendo muchas cosas a la vez como iones electroactivos, moléculas de disolvente, y los electrolitos de apoyo interactúan, intercambiando electrones y masa durante los procesos de transferencia de carga. Para comprender estos procesos, es necesario desacoplar las diferentes transferencias de carga e interacciones iónicas que ocurren en los electrodos. En este estudio, los investigadores hicieron precisamente eso, y además, ejerció control sobre el proceso ajustando los electrodos a nivel atómico.

"Los conocimientos atómicamente precisos obtenidos de nuestros experimentos y cálculos teóricos nos permitieron desarrollar interfaces electroquímicas eficientes utilizando aniones súper activos que no habrían sido identificados usando técnicas convencionales que muestrean mezclas heterogéneas, "dijo el químico de PNNL Venkateshkumar Prabhakaran, autor principal del estudio. "Este enfoque se puede adoptar ampliamente para estudiar interfaces electroquímicas en otras tecnologías relacionadas, que pueden ayudar a las necesidades futuras de la nación en separaciones químicas, generacion de energia, y almacenamiento ".

Los investigadores ahora están estudiando cómo modular la eficiencia de separar diferentes iones en solución utilizando electrodos bien definidos con aniones controlados con precisión y capas de membrana. Los conocimientos fundamentales adquiridos en la comprensión de las interfaces electroquímicas de nivel molecular pueden servir como base para diseñar electrodos superiores para separaciones. o incluso almacenamiento de energía, en la escala del dispositivo.