Una de las cosas más importantes que hay que entender en la tecnología de baterías son los procesos físicos y químicos precisos que ocurren en la interfaz electrodo / electrolito. Sin embargo, la comprensión microscópica de estos procesos es bastante limitada debido a la falta de técnicas de sondeo adecuadas. Ahora,Los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley Berkeley Lab del Departamento de Energía de EE. UU. Berkeley Lab y la Universidad de California, Berkeley, han desarrollado una nueva técnica que permite la detección sensible y específica de moléculas en la interfaz electrodo / electrolito.
Este nuevo método utiliza la difracción de las rejillas de grafeno para superar las dificultades clave asociadas con la espectroscopía óptica tradicional que emplea sondas infrarrojas de interfaces enterradas.
"La mayor parte de la reacción química eléctrica en una batería ocurre en la interfaz electrolito / electrodo, y es importante saber cómo el ajuste del voltaje del electrodo induce procesos químicos dependientes del campo. Esto requiere una distinción entre el comportamiento de la molécula microscópica en la interfaz, comocomo absorción física y reacción electroquímica de la solución voluminosa de electrolitos ", dice Feng Wang, físico de la División de Ciencias de Materiales del Laboratorio Berkeley y miembro del Instituto de Nanociencias de Energía Kavli en Berkeley, quien dirigió este trabajo." Nuestro nuevo método de sondeo utiliza difraccióndesde electrodos de grafeno tipo rejilla. Monitoreamos los modos de vibración de la molécula desde la señal de difracción en una técnica in situ, no invasiva y rápida, aprovechando tanto la técnica láser como las propiedades del grafeno ".
Wang es autor de un artículo que describe esta investigación en la revista Comunicaciones de la naturaleza . Otros autores incluyen a Ya-Qing Bie, Jason Horng, Zhiwen Shi, Long Ju, Qin Zhou y Alex Zettl, que también es físico en Berkeley Lab y miembro del Instituto Kavli.
"La comunidad científica ahora tiene disponibles técnicas impresionantes para el crecimiento, la transferencia y la configuración geométrica del grafeno para aplicaciones electrónicas y ópticas", dice Zettl. El grafeno es una opción atractiva de electrodo para estudios de interfaz porque es estable y transparente al infrarrojoligero, y se está explorando para aplicaciones en supercondensadores, baterías, celdas solares y pantallas.
La novedosa 'espectroscopía de difracción' utiliza radiación infrarroja polarizada incidente a un electrodo hecho de grafeno cortado sistemáticamente en una rejilla o rejilla muy fina. Junto con un contraelectrodo de platino y un electrolito acuoso, esto forma una célula electroquímica. Especies moleculares dentro de la célulase adhieren al grafeno y, por lo tanto, influyen en las características de difracción de la rejilla.
Para investigar las especies moleculares en la interfaz electrolito / grafeno, el equipo midió la difracción de primer orden de la rejilla de grafeno, en lugar de la señal de transmisión o reflexión como en la espectroscopía tradicional.
"Utilizamos el hecho de que la señal de difracción solo sondea cosas que tienen estructuras periódicas espacialmente, y diseñamos nuestros electrodos de grafeno para que tengan la forma de una rejilla periódica. En este caso, las moléculas de interés se distribuyen periódicamente debido a la rejilla de electrodos subyacente, y la mayoría de las señales de fondo en la reflexión tradicional o la medición de transmisión no aparecen ", explica Wang.
Esto significa que cualquier difracción medida se origina en las vibraciones de las moléculas adsorbidas en la doble capa eléctrica inducida por el grafeno. El contraste relativo se mejora 50 veces en comparación con la espectroscopía de absorción convencional, y puede detectar con sensibilidad sub-monocapa.
Este estudio de prueba de principio detectó las vibraciones de CH2 de la deposición de surfactante en el electrodo de grafeno como ejemplo, pero la técnica se puede aplicar a otros grupos funcionales en otras frecuencias infrarrojas.
"Más allá del rango de vibración de los grupos metilo utilizados en este trabajo, hay muchos otros procesos químicos interesantes que involucran moléculas cuya vibración está en el rango infrarrojo. Cuanto más sepamos sobre el comportamiento de la interfaz de la molécula, más orientación tenemos paradiseño del dispositivo ", concluye Wang.
El Comunicaciones de la naturaleza el documento que describe este trabajo se titula "Espectroscopía vibratoria en las interfaces electrolito / electrodo con rejillas de grafeno".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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