Oavsett om du är inne i din bärbara dator eller lagrar energi utanför vindkraftsparker, vi behöver hög kapacitet, långvarig, och säkra batterier. I batterier, som i alla elektrokemiska enheter, kritiska processer inträffar där elektrolyten och det aktiva materialet möts vid den fasta elektroden. Dock, att avgöra vad som händer vid mötesplatsen har varit svårt eftersom förutom aktiva molekyler, gränssnitt innehåller ofta många inaktiva komponenter. Leds av laboratoriestipendiaten Dr Julia Laskin, forskare vid Pacific Northwest National Laboratory har nu hittat ett sätt att noggrant designa tekniskt viktiga gränssnitt genom att mjuklanda aktiva molekyler på en liten elektrokemisk cell i fast tillstånd. De packade elektrolyten i ett fast membran, deponerade aktiva joner ovanpå, och karakteriserade cellen med användning av traditionella elektrokemiska tekniker. Enheten de byggde låter dem studera nyckelreaktioner i realtid i kontrollerade gasmiljöer.

"För att öka prestandan, vi måste studera vad som sker inuti batterier eller bränsleceller – förstå processer vid gränssnittet i realtid när reaktionerna sker, " sa Dr Venkateshkumar Prabhakaran, första författare till studien.

Enheten ger ett sätt att förstå de grundläggande nedbrytningsreaktionerna, materialuppbyggnad, och andra processer vid elektrodytan under drift. Att kunna samla in denna dynamiska information är avgörande för att bygga bättre batterier, bränsleceller, och andra energiapparater. Det är också viktigt för att förbättra effektiviteten i industriella processer genom elektrokatalys. "Vi gör grundläggande forskning om toppmoderna tekniskt relevanta gränssnitt, sa Laskin.

På PNNL, forskare designade en elektrokemisk anordning för att studera elektrod-elektrolytgränssnittet i realtid. Enheten använder ett fast joniskt-vätskemembran, i vakuum eller andra välkontrollerade miljöer, som har transportegenskaper som liknar en flytande elektrolyt.

Det solida membranet låter teamet modifiera elektrolytgränssnittet med hjälp av mjuklandningstekniker för joner. Med mjuk landning, de placerar välkarakteriserade aktiva molekyler vid gränsytan. Dessa molekyler inkluderar katalytiska metallkluster och redoxaktiva "molekylära batterier" som kan hålla ett stort antal elektroner - potentiella kandidater för att öka batterikapaciteten.

I en spännande ny twist, forskare kan också lägga till molekylära fragment till cellen. De skapar fragmentjonerna genom att "krossa" prekursormolekyler i gasfasen. Dessa gasfasfragment kan sedan väljas och läggas till membranet. Resultatet är en väldefinierad film som du vanligtvis inte kan göra i lösning. "Detta ger oss tillgång till ett brett spektrum av arter som inte är stabila under normala förhållanden och gör det möjligt för oss att förstå bidraget från enskilda byggstenar till den övergripande aktiviteten hos modermolekyler, " sa Dr Grant Johnson, en PNNL-kemist och medlem i teamet.

När de mjuka klustren diffunderar genom det extremt tunna membranet och når elektrodytan på den nydesignade enheten, teamet har en detaljerad och exakt definierad aktiv art som de kan undersöka med hjälp av flera elektrokemiska och spektroskopiska tekniker. Väl framme vid gränssnittet, teamet kan studera hur de aktiva molekylerna förändrar transporten av elektroner, öka kapaciteten eller tömma den, till exempel.

Forskarna använder enheten för att studera hur mjuklandade ädelmetallkluster modifierar koldioxid för att uppgradera denna vanliga förorening till mer värdefulla kemiska råvaror.