Figur 1:Schematisk beskrivning av ett elektrokemiskt aktivt ferrocenterminerat självmonterat monolager på guld, som användes som ett modell för elektrokemiskt gränssnitt. Den elektrokemiska miljön illustreras av potentialprofilen över gränssnittet (streckad linje) och den undersöktes spektroskopiskt i experimentet. Kredit:CC BY 4.0 © 2020 R. A. Wong et al.
Genom att använda ett tvådelat tillvägagångssätt som hjälper till att förstå och designa mer effektiva energilagringssystem, RIKENs elektrokemister har utforskat fördelningen av elektriska laddningar vid gränsytan mellan elektroden och elektrolyten.
Att designa effektiva batterier och bränsleceller kräver att man vet hur joner och elektroner beter sig vid gränssnittet mellan elektroden och elektrolyten - lösningen som elektroden är nedsänkt i. Vid applicering av en spänning, elektroden laddas och joner med motsatt laddning börjar samlas på dess yta. Jonerna bildar ett lager på elektroden där deras koncentration minskar med avståndet från elektroden. Men förhållandet mellan jonernas struktur och de elektrokemiska egenskaperna hos gränssnittet mellan elektrod och elektrolyt är inte väl förstått.
Nu, Raymond Wong från RIKEN Surface and Interface Science Laboratory och hans kollegor har undersökt energin och strukturen hos det laddade gränssnittet mellan en guldelektrod och olika elektrolyter (Fig. 1).
De gjorde detta genom att sätta ihop ett monolager av redoxaktiva molekyler på elektrodytan. Ena änden av dessa långkedjiga molekyler bundna till elektroden, medan den andra - ett ferrocenhuvud som innehåller en järnatom - exponerades för elektrolyten. Ferrocenenheten kan lätt oxideras och reduceras genom att applicera en lämplig spänning som får den att växla mellan neutralt och positivt laddat tillstånd. Ett sådant ferrocenmonoskikt är en idealisk sond för att utforska de strukturella och energiförändringar som uppstår från kompensationen av monolagerladdningen av olika typer av anjoner i elektrolyten.
Wong och hans medarbetare kombinerade cyklisk voltammetri, som rutinmässigt används inom elektrokemi, med fotoelektronspektroskopi, som ger direkt information om elektronernas beteende vid gränssnittet elektrod–monolager–elektrolyt. De utförde de elektrokemiska mätningarna i en kammare, som sedan evakuerades och överfördes till en ultrahögvakuumkammare, där de utförde de spektroskopiska mätningarna. Denna procedur gjorde det möjligt för teamet att få ögonblicksbilder av gränssnittet elektrod-monolager-elektrolyt under olika applicerade potentialer.
"Vårt mål var att få en förbättrad förståelse av gränssnittet mellan elektrod och elektrolyt på mikroskopisk och molekylär nivå, som inte är lättillgänglig med andra elektrokemiska eller in situ metoder, " förklarar Wong.
Metoden är mångsidig och kan appliceras på andra system, påpekar Wong. "Vår metod kan utvidgas till att studera gränssnittsenergin i halvledande elektroder och kan ge fler insikter om elektrolyteffekter och gränsytasenergi i andra ytbundna redoxaktiva system med relevans för biokemisk avkänning, redox-inducerade nanoaktuatorer och pseudokapacitiv energilagring."
