Figure 1 :Schéma d'une monocouche auto-assemblée à terminaison ferrocène électrochimiquement active sur or, qui a été utilisé comme interface électrochimique modèle. L'environnement électrochimique est illustré par le profil de potentiel à travers l'interface (ligne pointillée) et il a été sondé par spectroscopie dans l'expérience. Crédit :CC BY 4.0 © 2020 R. A. Wong et al.
En utilisant une approche à deux volets qui aidera à comprendre et à concevoir des systèmes de stockage d'énergie plus efficaces, Les électrochimistes de RIKEN ont exploré la distribution des charges électriques à l'interface entre l'électrode et l'électrolyte.
Concevoir des batteries et des piles à combustible efficaces nécessite de connaître le comportement des ions et des électrons à l'interface entre l'électrode et l'électrolyte, la solution dans laquelle l'électrode est immergée. A l'application d'une tension, l'électrode se charge et des ions de charge opposée commencent à s'accumuler à sa surface. Les ions forment une couche sur l'électrode dont la concentration diminue avec la distance de l'électrode. Mais la relation entre la structure des ions et les propriétés électrochimiques de l'interface électrode-électrolyte n'est pas bien comprise.
Maintenant, Raymond Wong du RIKEN Surface and Interface Science Laboratory et ses collègues ont sondé l'énergétique et la structure de l'interface chargée entre une électrode d'or et divers électrolytes (Fig. 1).
Ils l'ont fait en assemblant une monocouche de molécules redox-actives sur la surface de l'électrode. Une extrémité de ces molécules à longue chaîne liée à l'électrode, tandis que l'autre, une tête de ferrocène contenant un atome de fer, a été exposée à l'électrolyte. L'unité de ferrocène peut être facilement oxydée et réduite en appliquant une tension appropriée qui la fait basculer entre les états neutre et chargé positivement. Une telle monocouche de ferrocène est une sonde idéale pour explorer les changements structurels et énergétiques résultant de la compensation de la charge de la monocouche par différents types d'anions dans l'électrolyte.
Wong et ses collègues ont combiné la voltamétrie cyclique, qui est couramment utilisé en électrochimie, avec spectroscopie photoélectronique, qui fournit des informations directes sur le comportement des électrons à l'interface électrode-monocouche-électrolyte. Ils ont effectué les mesures électrochimiques dans une chambre, qui a ensuite été évacué et transféré dans une chambre à ultravide, où ils ont effectué les mesures spectroscopiques. Cette procédure a permis à l'équipe d'obtenir des instantanés de l'interface électrode-monocouche-électrolyte sous différents potentiels appliqués.
"Notre objectif était d'acquérir une meilleure compréhension de l'interface électrode-électrolyte au niveau microscopique et moléculaire, qui n'est pas facilement accessible par d'autres méthodes électrochimiques ou in situ, " explique Wong.
La méthode est polyvalente et peut être appliquée à d'autres systèmes, Wong fait remarquer. "Notre méthode peut être étendue pour étudier l'énergétique interfaciale dans les électrodes semi-conductrices et peut fournir plus d'informations sur les effets électrolytiques et l'énergétique interfaciale dans d'autres systèmes redox-actifs liés à la surface avec une pertinence dans la détection biochimique, nanoactionneurs induits par redox et stockage d'énergie pseudocapacitif."
