Líquidos iônicos - sais produzidos pela combinação de moléculas carregadas positivamente (cátions) e moléculas carregadas negativamente (ânions) que são líquidas a temperaturas relativamente baixas, frequentemente abaixo da temperatura ambiente - estão cada vez mais sendo investigados para uso em baterias, supercapacitores, e transistores. Suas propriedades físicas e químicas únicas, incluindo boa condutividade iônica, baixa inflamabilidade e volatilidade, e alta estabilidade térmica, torná-los adequados para tais aplicações. Mas existem milhares de líquidos iônicos e exatamente como eles interagem com as superfícies eletrificadas dos eletrodos ainda é pouco compreendido, tornando difícil escolher o líquido iônico adequado para uma aplicação específica.

Agora, cientistas do Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE) demonstraram um novo método para observar em tempo real como os íons de tais líquidos se movem e se reconfiguram conforme diferentes voltagens são aplicadas aos eletrodos. O método é descrito em artigo publicado em 12 de maio na edição online da Materiais avançados .

"Quando eletrólitos líquidos iônicos entram em contato com um eletrodo eletrificado, uma estrutura especial que consiste em camadas alternadas de cátions e ânions - chamada de camada dupla elétrica (EDL) - forma-se nessa interface, "disse o primeiro autor Wattaka Sitaputra, um cientista do Centro de Nanomateriais Funcionais de Brookhaven (CFN), um DOE Office of Science User Facility onde a pesquisa foi conduzida. "Mas acompanhando a evolução em tempo real do EDL, onde as reações eletroquímicas ocorrem nas baterias, é difícil porque é muito fino (apenas alguns nanômetros de espessura) e enterrado pela maior parte do líquido iônico. "

Até agora, os cientistas só foram capazes de olhar para as estruturas EDL inicial e final usando técnicas de microscopia e espectroscopia; a estrutura intermediária foi mais difícil de investigar. Para visualizar as mudanças estruturais do EDL e o movimento dos íons conforme a voltagem é aplicada aos eletrodos, a equipe de Brookhaven usou uma técnica de imagem chamada microscopia eletrônica de fotoemissão (PEEM). Nesta técnica, os elétrons da superfície são excitados com uma fonte de energia e acelerados em um microscópio eletrônico, onde passam por lentes de aumento antes de serem projetados em um detector que registra os elétrons emitidos da superfície. Variações locais nas intensidades do sinal de fotoemissão são então usadas para gerar imagens de contraste da superfície. Nesse caso, a equipe usou luz ultravioleta para excitar os elétrons nas superfícies do líquido iônico (conhecido como EMMIM TFSI) que eles depositaram como filmes finos e dois eletrodos de ouro que eles fabricaram.

"Imaginando toda a superfície, incluindo os eletrodos e o espaço entre eles, nos permite estudar não apenas a evolução da estrutura da interface iônica líquido-eletrodo, mas também sondar os dois eletrodos ao mesmo tempo, enquanto mudam várias condições do sistema, "disse o cientista e co-autor do CFN Jerzy (Jurek) Sadowski.

Nesta demonstração inicial, a equipe mudou a voltagem aplicada aos eletrodos, a espessura dos filmes de líquido iônico, e a temperatura do sistema, tudo isso enquanto monitora as mudanças na intensidade da fotoemissão.

Os cientistas descobriram que os íons (que normalmente se formam em uma configuração semelhante a um tabuleiro de xadrez para esse líquido iônico) se movem e se organizam de acordo com o sinal e a magnitude da voltagem aplicada. Os cátions gravitam em direção ao eletrodo com a polarização negativa para neutralizar a carga, e vice-versa para ânions.

À medida que a diferença de potencial aumenta entre os dois eletrodos, uma camada altamente densa de cátions ou ânions pode se acumular perto do eletrodo polarizado, impedindo que outros íons da mesma carga se movam para lá (um fenômeno chamado superlotação) e reduzindo a mobilidade iônica.

Eles também descobriram que mais contra-íons se juntam perto do eletrodo polarizado em filmes mais espessos.

"Para filmes muito finos, o número de íons disponíveis para rearranjo é pequeno, então a camada EDL pode não ser capaz de se formar, "disse Sitaputra." Nos filmes mais grossos, mais íons estão disponíveis e eles têm mais espaço para se mover. Eles correm para a interface e, em seguida, se dispersam de volta para a massa após a superlotação para formar uma estrutura mais estável. "

A equipe explorou ainda mais a importância da mobilidade no processo de rearranjo, resfriando o filme mais espesso até que os íons praticamente parassem de se mover.

De acordo com a equipe, aplicar PEEM a um experimento operando é bastante novo e nunca foi feito para líquidos iônicos.

"Tivemos que superar vários desafios técnicos na configuração experimental, incluindo projetar e fabricar os eletrodos padronizados de ouro e incorporar o suporte de amostra no microscópio eletrônico, "explicou Sadowski." Líquidos iônicos provavelmente não foram investigados por meio desta técnica porque colocar um líquido em um microscópio baseado em vácuo ultra-alto parece contra-intuitivo.

A equipe planeja continuar suas pesquisas usando o novo sistema de microscópio eletrônico de baixa energia com correção de aberração (LEEM) / PEEM - instalado por meio de uma parceria entre a CFN e a Fonte de Luz Síncrotron Nacional II (NSLS-II), outro DOE Office of Science User Facility em Brookhaven - na linha de luz de espectroscopia de elétrons do NSLS-II. Este sistema permitirá que a equipe estude não apenas as mudanças estruturais e eletrônicas, mas também as mudanças químicas da interface líquido-eletrodo iônico - tudo em um único experimento. Ao determinar essas propriedades únicas, os cientistas serão capazes de selecionar os líquidos iônicos ideais para aplicações específicas de armazenamento de energia.