Molekyylikytkennät akun ja vedyn reaktioiden takana

Älypuhelimen latauksesta vedyn tuotantoon, energiateknologian perusperiaatteet on nyt tuotu esiin.

Korealaisten tutkijoiden työstämä tutkimus avaa uuden polun akku-, vety- ja hiilineutraalien teknologioiden tehokkuuden ja suorituskyvyn parantamiseksi samanaikaisesti vähentämällä energiahäviötä ja indusoimalla selektiivisesti haluttuja reaktioita.

KAIST:n professori Hyungjun Kimin johtama tutkimusryhmä on yhteistyössä korealaiskollegoiden kanssa tunnistanut sähköisessä kaksoiskerroksessa tapahtuvia rakenteellisia faasimuutoksia.

Sähkökemialliset reaktiot tapahtuvat erittäin pienessä tilassa, jota kutsutaan sähköiseksi kaksoiskerrokseksi, jossa elektrodi ja elektrolyytti kohtaavat.

Sähkökemian alalla on jo pitkään tiedetty, että elektrolyyttipitoisuuden kasvaessa kapasitanssikäyrä muuttuu kamelinmuotoisesta kellonmuotoiseksi mutta taustalla oleva syy on molekyylitasolla jäänyt selittämättömäksi.

Atomisen tarkkojen simulaatioiden ja kokeiden avulla tutkimusryhmä havaitsi, että elektrodiin kohdistettavasta jännitteestä riippuen tapahtuu kaksi keskeistä muutosta.

Katodilla vesimolekyylit järjestäytyvät yhdessä tasaiseen suuntaan, kun taas anodilla anionit (negatiivisesti varautuneet hiukkaset) kerääntyvät tiheästi pinnalle muodostaen kaksiulotteisen rakenteen ilmiössä, joka tunnetaan nimellä kondensaatio.

Nämä kaksi prosessia luovat kumpikin piikkejä kapasitanssikäyrään, ja elektrolyyttipitoisuuden kasvaessa ne yhdistyvät yhdeksi, jolloin käyrä muuttuu kamelinmuotoisesta kellonmuotoiseksi.

Yksinkertaisesti sanottuna toisella puolella vesimolekyylit ovat järjestäytyneessä järjestyksessä, kun taas toisella puolella ionit kerääntyvät tiheästi. Pitoisuuden kasvaessa nämä kaksi ilmiötä yhdistyvät, ja kuvaaja muuttuu kahdesta piikistä yhdeksi piikiksi.

Tutkimusryhmä esittelikin maailmassa ensimmäistä kertaa faasidiagrammin, joka näyttää yhdellä silmäyksellä, miten sähköisen kaksoiskerroksen rakenne muuttuu elektrodipotentiaalin (elektrodiin kohdistuvan jännitteen) ja elektrolyyttipitoisuuden mukaan.

Yksinkertaisesti sanottuna he loivat kartan, joka näyttää, miten rakenteet muuttuvat eri olosuhteissa, ja varmistivat kokeiden avulla kartan paikkansapitävyyden.

Professori Hyungjun Kim totesi: "Tämä tutkimus on merkittävä siinä mielessä, että se tarjoaa ensimmäisen ymmärryksen muuten näkymättömästä, mikroskooppisesta sähkökemiallisesta reaktioympäristöstä ja avaa tien sen suunnittelulle. Jos pystymme tarkasti hallitsemaan faasimuutoksia sähköisessä kaksoiskerroksessa, pystymme parantamaan tarkasti energiateknologioiden suorituskykyä, kuten lisäämään akun latausnopeutta tai maksimoimaan vedyn tuotannon tehokkuutta."

Aiheesta aiemmin:

Nano-optista sähkökemiallisten reaktioiden seurantaa