Forskare som arbetar inom Pacific Northwest National Laboratorys (PNNL:s) Separations Science-program lyckades koppla ihop ett mycket kontrollerat sätt att modifiera ytor, kallad jon mjuklandning, med en PNNL-designad och byggd elektrokemisk cell för att uppnå exakt kontroll över den kemiska sammansättningen av komplexa gränssnitt. När det väl uppnåtts, detta gjorde det möjligt för dem att göra atom-för-atom-ändringar av elektroder för att studera effekten på prestanda och stabilitet.

Experimenten, kombinerat med teoretiska beräkningar av medarbetare i Spanien, publicerades i en ACS Nano artikel med titeln "Kontrollera aktiviteten och stabiliteten hos elektrokemiska gränssnitt med hjälp av atom-för-atom metallsubstitution av redoxarter." De avslöjade att substitution av endast en till tre volframatomer med molybdenatomer i komplexa metallatomkluster resulterade i en uttalad förbättring av deras elektroniska beteende, som styr hur effektivt dessa arter accepterar elektroner för separationsapplikationer.

I elektrokemiska anordningar som används för separationer, gränssnitten är komplexa. Mycket händer på en gång som elektroaktiva joner, lösningsmedelsmolekyler, och stödjande elektrolyter interagerar, utbyte av elektroner och massa under laddningsöverföringsprocesser. För att förstå dessa processer, det är nödvändigt att frikoppla de olika laddningsöverföringarna och joninteraktionerna som förekommer på elektroderna. I den här studien, forskarna gjorde just det, och vidare, utövade kontroll över processen genom att ställa in elektroder på atomnivå.

"De atomärt exakta insikter som erhållits från våra experiment och teoretiska beräkningar gjorde det möjligt för oss att utveckla effektiva elektrokemiska gränssnitt med superaktiva anjoner som inte skulle ha identifierats med hjälp av konventionella tekniker som provar heterogena blandningar, " sa PNNL-kemist Venkateshkumar Prabhakaran, huvudförfattare till studien. "Detta tillvägagångssätt kan användas allmänt för att studera elektrokemiska gränssnitt i andra relaterade teknologier, som kan hjälpa nationens framtida behov av kemisk separation, energiproduktion, och förvaring."

Forskarna studerar nu hur man kan modulera effektiviteten av att separera olika joner i lösning med hjälp av väldefinierade elektroder med exakt kontrollerade anjoner och membranlager. De grundläggande insikterna som erhållits för att förstå elektrokemiska gränssnitt på molekylär nivå kan fungera som en grund för att designa överlägsna elektroder för separationer, eller till och med energilagring, på enhetsskalan.