Figura 1:Esquema de uma monocamada auto-montada terminada em ferroceno eletroquimicamente ativa em ouro, que foi usado como um modelo de interface eletroquímica. O ambiente eletroquímico é ilustrado pelo perfil de potencial na interface (linha tracejada) e foi sondado espectroscopicamente no experimento. Crédito:CC BY 4.0 © 2020 R. A. Wong et al.
Usando uma abordagem dupla que ajudará a compreender e projetar sistemas de armazenamento de energia mais eficientes, Os eletroquímicos RIKEN exploraram a distribuição de cargas elétricas na interface entre o eletrodo e o eletrólito.
Projetar baterias e células de combustível eficientes requer saber como íons e elétrons se comportam na interface entre o eletrodo e o eletrólito - a solução na qual o eletrodo está imerso. Na aplicação de uma tensão, o eletrodo fica carregado e íons com carga oposta começam a se acumular em sua superfície. Os íons formam uma camada no eletrodo com sua concentração diminuindo com a distância do eletrodo. Mas a relação entre a estrutura dos íons e as propriedades eletroquímicas da interface eletrodo-eletrólito não é bem compreendida.
Agora, Raymond Wong do Laboratório de Ciências de Superfície e Interface RIKEN e seus colegas investigaram a energética e a estrutura da interface carregada entre um eletrodo de ouro e vários eletrólitos (Fig. 1).
Eles fizeram isso montando uma monocamada de moléculas ativas redox na superfície do eletrodo. Uma extremidade dessas moléculas de cadeia longa ligada ao eletrodo, enquanto o outro - uma cabeça de ferroceno contendo um átomo de ferro - foi exposta ao eletrólito. A unidade de ferroceno pode ser facilmente oxidada e reduzida pela aplicação de uma tensão apropriada que faz com que ela alterne entre os estados de carga neutra e positiva. Essa monocamada de ferroceno é uma sonda ideal para explorar as mudanças estruturais e de energia decorrentes da compensação da carga da monocamada por diferentes tipos de ânions no eletrólito.
Wong e colegas combinaram voltametria cíclica, que é usado rotineiramente em eletroquímica, com espectroscopia de fotoelétrons, que fornece informações diretas sobre o comportamento dos elétrons na interface eletrodo-monocamada-eletrólito. Eles realizaram as medições eletroquímicas em uma câmara, que foi então evacuado e transferido para uma câmara de ultra-alto vácuo, onde realizaram as medições espectroscópicas. Este procedimento permitiu à equipe obter instantâneos da interface eletrodo-monocamada-eletrólito sob diferentes potenciais aplicados.
"Nosso objetivo era obter uma melhor compreensão da interface eletrodo-eletrólito no nível microscópico e molecular, que não é facilmente acessível por outros métodos eletroquímicos ou in situ, "explica Wong.
O método é versátil e pode ser aplicado a outros sistemas, Wong aponta. "Nosso método pode ser estendido para estudar a energética interfacial em eletrodos semicondutores e pode fornecer mais informações sobre os efeitos eletrolíticos e energética interfacial em outros sistemas redox-ativos ligados à superfície com relevância no sensoriamento bioquímico, nanoactuadores redox-induzidos e armazenamento de energia pseudocapacitiva. "
