Seja dentro do seu laptop ou armazenando energia fora de parques eólicos, precisamos de alta capacidade, de longa duração, e baterias seguras. Em baterias, como em qualquer dispositivo eletroquímico, processos críticos acontecem onde o eletrólito e o material ativo se encontram no eletrodo sólido. Contudo, determinar o que acontece no ponto de encontro tem sido difícil porque, além das moléculas ativas, interfaces geralmente contêm vários componentes inativos. Liderado pela pesquisadora de laboratório Dra. Julia Laskin, cientistas do Pacific Northwest National Laboratory descobriram agora uma maneira de projetar cuidadosamente interfaces tecnologicamente importantes, aterrando suavemente moléculas ativas em uma pequena célula eletroquímica de estado sólido. Eles embalaram o eletrólito em uma membrana sólida, íons ativos depositados no topo, e caracterizou a célula usando técnicas eletroquímicas tradicionais. O dispositivo que eles construíram permite estudar as principais reações em tempo real em ambientes gasosos controlados.

"Para aumentar o desempenho, precisamos estudar o que acontece dentro das baterias ou células de combustível - entender os processos na interface em tempo real conforme as reações acontecem, "disse o Dr. Venkateshkumar Prabhakaran, primeiro autor do estudo.

O dispositivo fornece uma maneira de entender as reações básicas de colapso, acúmulo de material, e outros processos na superfície do eletrodo durante a operação. Ser capaz de reunir essas informações dinâmicas é vital para construir baterias melhores, células de combustível, e outros dispositivos de energia. Também é importante para melhorar a eficiência dos processos industriais por meio da eletrocatálise. "Estamos fazendo pesquisas fundamentais sobre interfaces tecnologicamente relevantes de última geração, "disse Laskin.

No PNNL, os cientistas projetaram um dispositivo eletroquímico para estudar a interface eletrodo-eletrólito em tempo real. O dispositivo usa uma membrana sólida iônica-líquido, no vácuo ou em outros ambientes bem controlados, que tem propriedades de transporte semelhantes a um eletrólito líquido.

A membrana sólida permite que a equipe modifique a interface do eletrólito usando técnicas de pouso suave de íons. Com pouso suave, eles colocam moléculas ativas bem caracterizadas na interface. Essas moléculas incluem aglomerados de metal catalítico e espécies de "bateria molecular" redox ativa, capazes de reter um grande número de elétrons - candidatos potenciais para aumentar a capacidade da bateria.

Em uma nova reviravolta empolgante, os cientistas também podem adicionar fragmentos moleculares à célula. Eles criam os íons do fragmento "esmagando" moléculas precursoras na fase gasosa. Esses fragmentos de fase gasosa podem então ser selecionados e adicionados à membrana. O resultado é um filme bem definido que você normalmente não pode fazer em solução. "Isso nos dá acesso a uma ampla gama de espécies que não são estáveis ​​em condições normais e nos permite entender a contribuição dos blocos de construção individuais para a atividade geral das moléculas-mãe, "disse o Dr. Grant Johnson, um químico PNNL e membro da equipe.

Quando os aglomerados de aterramento suave se difundem através da membrana extremamente fina e alcançam a superfície do eletrodo do dispositivo recém-projetado, a equipe tem uma espécie ativa detalhada e precisamente definida que pode examinar usando várias técnicas eletroquímicas e espectroscópicas. Uma vez na interface, a equipe pode estudar como as moléculas ativas mudam o transporte de elétrons, aumentando a capacidade ou esgotando-a, por exemplo.

Os pesquisadores estão usando o dispositivo para estudar como os aglomerados de metais nobres em terras macias modificam o dióxido de carbono para transformar esse poluente comum em matérias-primas químicas mais valiosas.