Adsorptionen av joner från elektrolyten vid en elektrodyta är en allestädes närvarande process, kan användas för både befintliga och nya elektrokemiska energitekniker. Men vad händer när dessa joner tränger in i mycket små utrymmen? För att ta itu med denna fråga, forskare vid NC State undersökte på nytt beteendet hos ett "klassiskt" material, birnessit.

Birnessite är en hydratiserad skiktad form av manganoxid som snabbt kan lagra och frigöra en mängd positiva joner från elektrolyter under många cykler. Detta gör det lovande för användning i högeffekts elektrokemisk energilagring, eller i framväxande elektrokemiska teknologier såsom avsaltning och återvinning av sällsynta element från vatten. Vad mer, det är ett rikligt material, enkelt att göra, och giftfri.

Mekanismen genom vilken birnessit kan ta upp och frigöra katjoner har beskrivits som både faradaisk (som involverar laddningsöverföring) och icke-faradaisk (involverar endast elektrostatisk jonadsorption).

För att ta itu med denna debatt, forskarna använde både experimentella och beräkningsmetoder.

"I energilagringssamhället, Vi tänker normalt på laddningslagring som antingen faradaisk eller icke-faradisk, säger Shelby Boyd, första författare till en artikel om arbetet och en postdoktor vid North Carolina State University. "Vid plana gränssnitt, faradaisk hänvisar till den specifika adsorptionen av en jon till en elektrod med motsvarande laddningsöverföring, som i en redoxreaktion. Icke-faradaisk hänvisar till rent elektrostatisk adsorption utan laddningsöverföring. Människor har till stor del presenterat dessa mekanismer för laddningslagring som att de utesluter varandra. Men vad vi fann med birnessit är att det strukturella vattnet i nanobegränsade mellanskikt mildrar interaktionerna mellan interkalerad katjon och birnessiten. Detta resulterar i ett mellanliggande beteende från de två typerna av adsorptionsextremer vid plana gränssnitt."

Forskarna kunde också bevisa experimentellt och teoretiskt att vatten mellan lagren av birnessit effektivt fungerar som en buffert som gör kapacitivt beteende möjligt utan att orsaka betydande strukturella förändringar i birnessiten.

I sista hand, forskarna säger att resultaten belyser två framtida riktningar för arbetet, som båda är lovande för det bredare området elektrokemi.

"Fältet elektrokemi genomgår en renässans, säger Veronica Augustyn, motsvarande författare till uppsatsen och en biträdande professor i materialvetenskap och ingenjörskonst vid NC State. "Förmågan att koppla samman experimentella resultat med modellering i atomistisk skala av det elektrokemiska gränssnittet gör att vi kan sondera djupare än någonsin tidigare och ställa frågor som:Vilka roller spelar lösningsmedlet? Vad kan hända när reaktionen sker under inneslutning? Genom att förstå kapacitiva mekanism av ett material som birnessit, vi sätter scenen för att förstå mer komplexa elektrokemiska reaktioner."

Pappret, "Effekter av mellanskiktsinneslutning och hydrering på kapacitiv laddningslagring i Birnessite, " kommer från Naturmaterial .