Исследование бирнессита дает новые знания для электрохимии и хранения энергии


Адсорбция ионов из электролита на поверхности электрода – это повсеместный процесс, который используется как в существующих, так и в новых технологиях электрохимической энергетики. Но что происходит, когда эти ионы проникают в очень маленькие пространства? Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи из NC State повторно изучили поведение «классического» материала, бирнессита.

Бирнессит – это гидратированная слоистая форма оксида марганца, которая может быстро накапливать и высвобождать различные положительные ионы из электролитов в течение многих циклов. Это делает его перспективным для использования в мощных электрохимических накопителях энергии или в новых электрохимических технологиях, таких как опреснение и извлечение редких элементов из воды. Более того, это богатый материал, простой в изготовлении и нетоксичный.

Механизм, с помощью которого бирнессит может поглощать и высвобождать катионы, был описан как фарадеевский (включая перенос заряда), так и нефарадеевский (связанный только с электростатической адсорбцией ионов).

Для решения этой дискуссии исследователи использовали как экспериментальный, так и вычислительный подходы.


«В сообществе накопителей энергии мы обычно думаем о накоплении заряда как о фарадеевском или нефарадеевском», – говорит Шелби Бойд, первый автор о работе и научный сотрудник в Университете штата Северная Каролина. «На плоских границах раздела фарадеевская означает специфическую адсорбцию иона на электроде с соответствующей передачей заряда, как в окислительно-восстановительной реакции. Нефарадеевская означает чисто электростатическую адсорбцию без передачи заряда. Люди в основном представляют эти механизмы накопления заряда как являются взаимоисключающими. Но что мы обнаружили с бирнесситом, так это то, что наноразмерная межслойная структурная вода смягчает взаимодействия между интеркалированным катионом и бирнесситом. Это приводит к промежуточному поведению по сравнению с двумя типами крайних значений адсорбции на плоских границах раздела ».

Исследователи также смогли экспериментально и теоретически доказать, что вода между слоями бирнессита эффективно служит буфером, который делает возможным емкостное поведение, не вызывая значительных структурных изменений в бирнессите.

В конечном итоге, по словам исследователей, полученные результаты подчеркивают два будущих направления работы, оба из которых являются многообещающими для более широкой области электрохимии.

«Электрохимия переживает период возрождения», – говорит Вероника Августин, автор и доцент кафедры материаловедения и инженерии в NC State. «Возможность связать экспериментальные результаты с моделированием электрохимической границы раздела в атомистическом масштабе позволяет нам исследовать глубже, чем когда-либо прежде, и задавать такие вопросы, как: Какую роль играет растворитель? Что может произойти, когда реакция протекает в замкнутом пространстве? Механизм такого материала, как бирнессит, мы подготовили почву для понимания более сложных электрохимических реакций ».

Документ «Влияние межслоевого удержания и гидратации на накопление емкостного заряда в бирнессите» готовится к публикации. Материалы Природы. Соавтором является Саид Саид, доктор философии. студент NC State; Картик Ганешан и Адри CT ван Дуин из Университета штата Пенсильвания; Ван-Ю Цай и Нина Балке из Окриджской национальной лаборатории; и Тао Ву и Де-эн Цзян из Калифорнийского университета в Риверсайде. Балке присоединится к факультету NC State в качестве адъюнкт-профессора материаловедения и инженерии в августе года.