Crédito:Skoltech
Cientistas da Rússia e da Armênia previram uma nova reconstrução da superfície de RuO 2 isso explica a origem do armazenamento de carga em supercapacitores. A miniaturização de dispositivos eletrônicos para a escala nanométrica aumentará o papel dos efeitos de superfície e quânticos em termos de propriedades e estabilidade de todo o dispositivo. A ciência de superfície tornou-se, portanto, crucial para futuros avanços tecnológicos.
Atualmente, RuO 2 é o material mais comumente usado para aplicações eletrônicas, como detecção e catálise. É amplamente utilizado em supercondensadores como um material catódico. Contudo, RuO 2 intrigou os pesquisadores com relação à sua aplicação em supercapacitores.
Usualmente, o comportamento supercapacitivo ocorre como resultado do processo de dupla inserção próton-elétron. Cada átomo de hidrogênio adsorvido ou intercalado (próton) irá induzir pseudocapacitância no material catódico. Resultados experimentais mostram pseudocapacitância no RuO 2 cátodos, mas não pode explicar a origem do efeito, porque este processo em escala atômica não pode ser examinado usando as técnicas experimentais disponíveis. Uma grande quantidade de pesquisa teórica foi dedicada à superfície de RuO 2 com (110) orientação cristalográfica, que é mais estável em condições ambientais. Ainda, o efeito da pseudocapacitância permanece inexplicado.
"Previmos a nova reconstrução termodinamicamente estável do RuO 2 superfície com (110) orientação cristalográfica, ou seja, RuO 4 - (2 × 1). Esta reconstrução tem um átomo de Ru de quatro coordenadas e quatro átomos de oxigênio, dois dos quais são de duas coordenadas e os outros dois dos quais são de uma coordenada. Uma investigação detalhada da estabilidade mostra que uma reconstrução recém-prevista tem menor energia de superfície em comparação com superfícies e terminações de superfície previamente estudadas com (110) orientação cristalográfica, e deve se formar mesmo em condições ambientais, que não contradiz os dados experimentais, "disse Alexander Kvashnin, um pesquisador do Centro Skoltech para Armazenamento de Energia Eletroquímica e um dos autores do estudo.
Para discriminar entre modelos estruturais, os cientistas usaram os resultados de experimentos realizados em microscopia de transmissão de varredura (STM). Eles simularam as imagens STM de RuO 4 - reconstrução (2 × 1) junto com uma série de superfícies propostas anteriormente e reconstruções e comparou as simulações com imagens STM experimentalmente disponíveis. Para sua surpresa, eles não encontraram nenhuma diferença entre as imagens, o que os tornava difíceis de distinguir em experimentos. Embora seja igualmente consistente com imagens experimentais STM, a reconstrução prevista tem menos energia e, portanto, é preferível.
Uma investigação mais aprofundada das propriedades eletroquímicas mostra que a adsorção de hidrogênio em relação à reconstrução prevista é energeticamente favorável, exibindo uma influência predominante de intercalação de hidrogênio na superfície do cátodo, o que contribuiria para a pseudocapacitância. Esses resultados contrastam fortemente com os resultados obtidos em outras reconstruções e terminações de superfície nas quais a intercalação de hidrogênio é desfavorável.
"Combinando os dados sobre a energia de superfície mais baixa do recém-previsto RuO 4 - (2 × 1) reconstrução de superfície de (110) superfície de RuO2, a combinação perfeita de imagem STM simulada com dados experimentais e propriedades eletroquímicas estudadas, explicamos a contribuição da reação redox de superfície para a pseudocapacitância de RuO 2 cátodos, que é devido à estrutura atômica especial da reconstrução da superfície da superfície (110), "disse Kvashnin. Os resultados de seu estudo foram publicados recentemente em Relatórios Científicos .
