Distribuciones de densidad de carga de dobles capas eléctricas

Ampliando su técnica de microscopía de fuerza atómica 3D electroquímica (EC-3D-AFM) recientemente desarrollada, los investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign han derivado el perfil de profundidad de densidad de carga de las capas dobles eléctricas (EDL). Utilizando análisis estadísticos, deconvolución máxima y cálculos electrostáticos, los investigadores desarrollaron Charge Profiling 3D AFM (CP-3D-AFM) para cuantificar experimentalmente la distribución de carga en las interfaces electrodo-electrolito.

El profesor de ciencia e ingeniería de materiales Yingjie Zhang y la estudiante graduada de ingeniería y ciencia mecánica Lalith Bonagiri publicaron recientemente esta investigación, “Perfil de densidad de carga en el espacio real de interfaces de electrodos y electrolitos con resolución de profundidad de Angstrom”, en ACS Nano.

Zhang y Bonagiri explican que el núcleo de la electroquímica es la interconversión entre electricidad y energía química en la interfase electrodo-electrolito y tales procesos requieren la acumulación y el agotamiento de cargas en la interfase. La distribución espacial de las cargas es, por tanto, clave para comprender los mecanismos de los procesos electroquímicos. Sin embargo, los perfiles de densidad de carga en estas interfaces seguían siendo un rompecabezas.

El equipo utilizó un líquido iónico, 1-etil-3-metilimidazolio bis(trifluorometilsulfonil)imida (EMIM-TFSI), como elección de electrolito, en un electrodo de grafito pirolítico altamente orientado (HOPG). EMIM-TFSI y HOPG son sistemas modelo utilizados en dispositivos de almacenamiento de energía y supercondensadores.

También utilizaron otro tipo de electrolito emergente: agua en sal (WiS), que se compone de sal altamente concentrada en solución acuosa (la sal supera en número al disolvente). Los electrolitos WiS se introdujeron por primera vez en 2015 y, desde entonces, se han explorado ampliamente como una opción viable para fabricar baterías con mayor seguridad y menor impacto ambiental.

La técnica experimental utilizada en esta investigación se basa en lo que el equipo ha utilizado anteriormente, pero con métodos de análisis de datos desarrollados recientemente. Como dice Bonagiri, “Tomamos esta técnica [EC-3D-AFM] al siguiente nivel donde desconvolucionamos los histogramas de conteo y obtenemos los perfiles de densidad de carga usando algoritmos electrostáticos”.

Este nuevo método, denominado CP-3D-AFM, permite la adquisición de la distribución espacial de carga de la superficie del electrodo local y de las EDL. El equipo utilizó CP-3D-AFM para determinar los reordenamientos de carga de las interfaces líquido iónico/HOPG y WiS/HOPG y observó variaciones subnanométricas en la densidad de carga, que es crucial para el almacenamiento de energía capacitivo y otras funciones electroquímicas de estos sistemas.

Zhang y Bonagiri afirman que este método será ampliamente aplicable a una amplia gama de dispositivos electroquímicos prácticos, incluidas baterías, pilas de combustible, electrolizadores y supercondensadores.