Deconvoluzione dei dati: distribuzioni di densità di carica di doppi strati elettrici

22 dicembre 2022 (Notizie Nanowerk) Ampliando la tecnica di microscopia elettrochimica 3D a forza atomica (EC-3D-AFM) recentemente sviluppata, i ricercatori di Urbana-Champaign dell'Università dell'Illinois hanno derivato il profilo di profondità della densità di carica dei doppi strati elettrici (EDL). Attraverso analisi statistiche, deconvoluzione dei picchi e calcoli elettrostatici, i ricercatori hanno sviluppato il profilo di carica 3D AFM (CP-3D-AFM) per quantificare sperimentalmente la distribuzione della carica sulle interfacce elettrodo-elettrolita. La professoressa di scienza e ingegneria dei materiali Yingjie Zhang e la studentessa laureata in scienza e ingegneria meccanica Lalith Bonagiri hanno recentemente pubblicato questa ricerca su ACS Nano ("Profilo della densità di carica nello spazio reale delle interfacce elettrodo-elettrolita con risoluzione della profondità Angstrom"). Schema della tecnica CP-3D-AFM. (Immagine: Grainger College of Engineering presso l'Università dell'Illinois Urbana-Champaign) Zhang e Bonagiri spiegano che il nucleo dell'elettrochimica è l'interconversione tra energia elettrica e chimica all'interfaccia elettrodo-elettrolita e tali processi richiedono l'accumulo e l'esaurimento delle cariche all'interfaccia. La distribuzione spaziale della carica è quindi una chiave per comprendere i meccanismi dei processi elettrochimici. Tuttavia, i profili di densità di carica su queste interfacce sono rimasti un enigma. Il team ha utilizzato un liquido ionico, 1-etil-3-metilimidazolio bis(trifluorometilsulfonil)imide (EMIM-TFSI), come elettrolita scelto, su un elettrodo di grafite pirolitica (HOPG) altamente orientata. Sia EMIM-TFSI che HOPG sono sistemi modello utilizzati nei dispositivi di accumulo dell'energia e nei supercondensatori. Hanno utilizzato anche un altro tipo di elettrolita emergente: acqua nel sale (WiS), composto da sale altamente concentrato in soluzione acquosa (il sale è più numeroso del solvente). Gli elettroliti WiS sono stati introdotti per la prima volta nel 2015 e da allora sono stati ampiamente esplorati come una valida opzione per realizzare batterie con maggiore sicurezza e impatto ambientale ridotto. La tecnica sperimentale utilizzata in questa ricerca si basa su ciò che il team ha utilizzato in precedenza, ma con metodi di analisi dei dati di nuova concezione. Come afferma Bonagiri, "Abbiamo portato la tecnica [EC-3D-AFM] al livello successivo in cui deconvoluzioniamo gli istogrammi di conteggio e otteniamo i profili di densità di carica utilizzando algoritmi elettrostatici". Questo nuovo metodo, denominato CP-3D-AFM, consente l'acquisizione della distribuzione spaziale della carica sia della superficie dell'elettrodo locale che degli EDL. Il team ha utilizzato CP-3D-AFM per determinare i riarrangiamenti di carica delle interfacce liquido ionico/HOPG e WiS/HOPG e ha osservato variazioni sub-nanometriche nella densità di carica, che è cruciale per l’accumulo di energia capacitiva e altre funzioni elettrochimiche di questi sistemi. Zhang e Bonagiri affermano che questo metodo sarà ampiamente applicabile a una vasta gamma di dispositivi elettrochimici pratici tra cui batterie, celle a combustibile, elettrolizzatori e supercondensatori.

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• Fonte: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62068.php