Les chercheurs travaillant au sein du programme Separations Science du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) ont réussi à coupler une manière hautement contrôlée de modifier les surfaces, appelé atterrissage en douceur des ions, avec une cellule électrochimique conçue et construite par PNNL pour obtenir un contrôle précis de la composition chimique des interfaces complexes. Une fois atteint, cela leur a permis d'apporter des modifications atome par atome aux électrodes pour étudier l'effet sur les performances et la stabilité.

Les expérimentations, combiné à des calculs théoriques de collaborateurs en Espagne, ont été publiés dans un ACS Nano article intitulé "Contrôle de l'activité et de la stabilité des interfaces électrochimiques à l'aide de la substitution de métal atome par atome d'espèces redox". Ils ont révélé que la substitution de seulement un à trois atomes de tungstène par des atomes de molybdène dans des amas complexes d'atomes de métal entraînait une amélioration prononcée de leur comportement électronique, qui contrôle l'efficacité avec laquelle ces espèces acceptent les électrons pour les applications de séparation.

Dans les appareils électrochimiques utilisés pour les séparations, les interfaces sont complexes. Il se passe beaucoup de choses à la fois sous forme d'ions électroactifs, molécules de solvant, et les électrolytes de soutien interagissent, échanger des électrons et de la masse pendant les processus de transfert de charge. Pour comprendre ces processus, il est nécessaire de découpler les différents transferts de charges et interactions ioniques se produisant sur les électrodes. Dans cette étude, les chercheurs ont fait exactement cela, et plus loin, exerçait un contrôle sur le processus en réglant les électrodes au niveau atomique.

"Les informations atomiquement précises obtenues à partir de nos expériences et de nos calculs théoriques nous ont permis de développer des interfaces électrochimiques efficaces utilisant des anions superactifs qui n'auraient pas été identifiés à l'aide de techniques conventionnelles d'échantillonnage de mélanges hétérogènes, " a déclaré Venkateshkumar Prabhakaran, chimiste du PNNL, auteur principal de l'étude. "Cette approche peut être largement adoptée pour étudier les interfaces électrochimiques dans d'autres technologies connexes, qui peuvent aider les besoins futurs de la nation en séparations chimiques, production d'énergie, et stockage."

Les chercheurs étudient maintenant comment moduler l'efficacité de la séparation de différents ions en solution à l'aide d'électrodes bien définies avec des anions et des couches de membrane contrôlés avec précision. Les connaissances fondamentales acquises dans la compréhension des interfaces électrochimiques au niveau moléculaire peuvent servir de base à la conception d'électrodes supérieures pour les séparations, ou encore stockage d'énergie, à l'échelle de l'appareil.