L'adsorption des ions de l'électrolyte à la surface d'une électrode est un processus omniprésent, d'utilisation pour les technologies énergétiques électrochimiques existantes et émergentes. Mais que se passe-t-il lorsque ces ions pénètrent dans de très petits espaces ? Pour répondre à cette question, des chercheurs de NC State ont réexaminé le comportement d'un matériau "classique", Birnessite.

La Birnessite est une forme stratifiée hydratée d'oxyde de manganèse qui peut rapidement stocker et libérer une variété d'ions positifs des électrolytes pendant de nombreux cycles. Cela le rend prometteur pour une utilisation dans le stockage d'énergie électrochimique de haute puissance, ou dans les technologies électrochimiques émergentes telles que le dessalement et la récupération des éléments rares de l'eau. Quoi de plus, c'est une matière abondante, facile à faire, et non toxique.

Le mécanisme par lequel la birnessite peut absorber et libérer des cations a été décrit à la fois comme faradique (impliquant un transfert de charge) et non faradique (impliquant uniquement l'adsorption d'ions électrostatiques).

Pour aborder ce débat, les chercheurs ont utilisé à la fois des approches expérimentales et informatiques.

"Dans la communauté du stockage d'énergie, nous pensons normalement que le stockage de charge est soit faradique, soit non faradique, " dit Shelby Boyd, premier auteur d'un article sur le travail et chercheur postdoctoral à la North Carolina State University. « Aux interfaces planaires, faradique fait référence à l'adsorption spécifique d'un ion à une électrode avec un transfert de charge correspondant, comme dans une réaction redox. Non faradique fait référence à une adsorption purement électrostatique sans transfert de charge. On a largement présenté ces mécanismes de stockage de charges comme s'excluant mutuellement. Mais ce que nous avons trouvé avec la birnessite, c'est que l'eau structurelle intercalaire nanoconfinée atténue les interactions entre le cation intercalé et la birnessite. Cela se traduit par un comportement intermédiaire des deux types d'extrêmes d'adsorption aux interfaces planaires."

Les chercheurs ont également pu prouver expérimentalement et théoriquement que l'eau entre les couches de birnessite sert effectivement de tampon qui rend possible un comportement capacitif sans provoquer de changement structurel significatif dans la birnessite.

Finalement, les chercheurs disent que les résultats mettent en évidence deux directions futures pour le travail, qui sont tous deux prometteurs pour le domaine plus large de l'électrochimie.

"Le domaine de l'électrochimie est en pleine renaissance, " dit Veronica Augustyn, auteur correspondant de l'article et professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux à NC State. « La capacité de connecter les résultats expérimentaux avec la modélisation à l'échelle atomistique de l'interface électrochimique nous permet de sonder plus profondément que jamais et de poser des questions telles que :quels rôles jouent le solvant ? Que peut-il se passer lorsque la réaction se produit sous confinement ? En comprenant le capacitif mécanisme d'un matériau comme la Birnessite, nous préparons le terrain pour comprendre des réactions électrochimiques plus complexes."

Le papier, "Effets du confinement et de l'hydratation intercouches sur le stockage de charge capacitive dans Birnessite, " est à venir de Matériaux naturels .