用於分離複雜電化學界面的精確控制！

太平洋西北國家實驗室(PNNL)分離科學項目的研究人員成功地將一種被稱為離子軟著陸的高度可控表面修飾方法與PNNL設計並建造的電化學電池結合起來，實現了對複雜界面化學成分的精確控制。一旦實現，就可以對電極進行原子對原子的改變，以研究其對性能和穩定性的影響。這些實驗，結合西班牙合作者的理論計算，發表在《ACS Nano》張，論文標題是「使用氧化還原物質的原子對原子金屬取代來控制電化學界面的活性和穩定性。研究發現，在複雜的金屬原子簇中，鉬原子僅取代一至三個鎢原子，就能顯著改善鎢原子的電子行為。

博科園：從而控制了這些物種接受電子用於分離的效率。在用於分離的電化學裝置中，界面是複雜的。當電活性離子、溶劑分子和支持電解質相互作用、在電荷轉移過程中交換電子和質量時，會同時發生許多事情。為了理解這些過程，有必要解耦電極上不同的電荷轉移和離子相互作用。

在這項研究中，研究人員做到了這一點，並進一步通過在原子水平上調整電極來控制這一過程。從實驗和理論計算中獲得的原子精確見解，使我們能夠利用超活性陰離子開發出高效的電化學界面。這項研究的主要作者PNNL化學家Venkateshkumar Prabhakaran說：

而這是用傳統取樣非均質混合物技術無法識別是。這種方法可以廣泛應用於研究其他相關技術中的電化學界面，這可能有助於美國未來在化學分離、能源生產和存儲方面的需求。研究人員目前正在研究如何利用定義良好的電極，精確控制陰離子和膜層，來調節溶液中不同離子的分離效率。在理解分子級電化學界面方面獲得的基本見解，可以作為設計用於分離，甚至在設備規模上用於儲能的高級電極基礎。了解電化學活性離子在操作電極-電解質界面(EEI)上的分子水平特性是合理開發高性能納米結構表面用於能源技術的關鍵。

研究採用離子軟著陸電化學電池，研究了「原子對原子」金屬取代對納米結構離子液體EEI中定義明確的氧化還原活性陰離子PMoxW12-xO403 - (x = 0、1、2、3、6、9或12)活性和穩定性的影響。通過現場電化學測量和進一步的理論計算，一個引人注目的觀察結果是，在PW12O403 -陰離子中，鉬原子只取代了一到三個鎢原子，導致它們的第一個還原電位大幅上升。具體來說，PMo3W9O403 -在原位電化學測量和作為功能氧化還原超級電容器裝置的一部分

顯示了最高的氧化還原活性，使它成為一個「超活性氧化還原陰離子」相比，所有其他PMoxW12-xO403 。電子結構計算表明，PMoxW12-xO403 -中的金屬取代使最低未佔據分子軌道(LUMO)局部突出，使其成為還原陰離子的「活性位點」。幾個關鍵因素促成了氧化還原活性的觀察趨勢，包括(i)多個異構結構在室溫下填充，影響實驗確定的還原電位。研究結果表明，通過理解具有「原子對原子」精度特定電活性物質的分子級電子特性，可以在功能納米級器件中實現技術相關的EEIs的優越性能。

博科園｜研究/來自: 環境分子科學實驗室

參考期刊《ACS Nano》

DOI: 10.1021/acsnano.8b06813

博科園｜科學、科技、科研、科普

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