Kredit:Skoltech
Forskare i Ryssland och Armenien har förutspått en ny ytrekonstruktion av RuO 2 som förklarar ursprunget till laddningslagring i superkondensatorer. Miniatyriseringen av elektroniska enheter till nanometerskalan kommer att öka rollen av yt- och kvanteffekter när det gäller egenskaperna och stabiliteten för hela enheten. Ytvetenskap har därför blivit avgörande för framtida tekniska framsteg.
För närvarande, RuO 2 är det mest använda materialet för elektroniska applikationer som avkänning och katalys. Det används ofta i superkondensatorer som katodmaterial. Dock, RuO 2 har förbryllat forskare med avseende på dess tillämpning i superkondensatorer.
Vanligtvis, superkapacitivt beteende uppstår som ett resultat av proton-elektron-dubbelinsättningsprocessen. Varje adsorberad eller interkalerad väteatom (proton) kommer att inducera pseudokapacitans i katodmaterialet. Experimentella resultat visar pseudokapacitans i RuO 2 katoder, men kan inte förklara effektens ursprung, eftersom denna process i atomär skala inte kan undersökas med tillgängliga experimentella tekniker. En hel del teoretisk forskning har ägnats åt ytan av RuO 2 med (110) kristallografisk orientering, som är mest stabil vid omgivningsförhållanden. Fortfarande, pseudokapacitanseffekten förblir oförklarad.
"Vi förutspådde den nya termodynamiskt stabila rekonstruktionen av RuO 2 yta med (110) kristallografisk orientering, nämligen RuO 4 –(2×1). Denna rekonstruktion har en Ru-atom med fyra koordinater och fyra syreatomer, varav två är tvåkoordinater och de andra två är enkoordinater. En detaljerad undersökning av stabiliteten visar att en nyligen förutsagd rekonstruktion har lägre ytenergi jämfört med tidigare studerade ytor och ytavslutningar med (110) kristallografisk orientering, och bör bildas även vid omgivningsförhållanden, som inte motsäger experimentella data, sa Alexander Kvashnin, en forskare vid Skoltech Center for Electrochemical Energy Storage och en av studiens författare.
Att skilja mellan strukturella modeller, forskare använde resultaten av experiment som utfördes med scanning transmission microscopy (STM). De simulerade STM-bilderna av RuO 4 –(2×1) rekonstruktion tillsammans med ett antal tidigare föreslagna ytor och rekonstruktioner och jämförde simuleringarna med experimentellt tillgängliga STM-bilder. Till deras förvåning, de hittade inga skillnader mellan bilderna, vilket gjorde dem svåra att urskilja i experiment. Även om det är lika förenligt med experimentella STM-bilder, förutspådd rekonstruktion har lägre energi och är därför att föredra.
En ytterligare undersökning av elektrokemiska egenskaper visar att väteadsorption med avseende på den förutsagda rekonstruktionen är energetiskt gynnsam, uppvisar en övervägande påverkan av väteinterkalering i katodytan, vilket skulle bidra till pseudokapacitans. Dessa resultat står i skarp kontrast till de erhållna resultaten från andra ytrekonstruktioner och avslutningar där väteinterkalering är ogynnsamt.
"Kombinera data om den lägsta ytenergin av den nyligen förutspådda RuO 4 –(2×1) ytrekonstruktion av (110) yta av RuO2, den perfekta matchningen av simulerad STM-bild med experimentella data och studerade elektrokemiska egenskaper, vi förklarar bidraget från ytredoxreaktionen till pseudokapacitansen för RuO 2 katoder, vilket beror på den speciella atomstrukturen för ytrekonstruktionen av (110) yta, " sa Kvashnin. Resultaten av deras studie publicerades nyligen i Vetenskapliga rapporter .
