Deconvolutie van de gegevens: ladingsdichtheidsverdelingen van elektrische dubbele lagen

Voortbouwend op hun recent ontwikkelde elektrochemische 3D-atoomkrachtmicroscopie (EC-3D-AFM) -techniek, hebben onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign het diepteprofiel van de ladingsdichtheid van elektrische dubbele lagen (EDL’s) afgeleid. Door middel van statistische analyse, piekdeconvolutie en elektrostatische berekeningen ontwikkelden de onderzoekers ladingsprofilering 3D AFM (CP-3D-AFM) om de ladingsverdeling op elektrode-elektrolyt-interfaces experimenteel te kwantificeren.

Material Science and Engineering Professor Yingjie Zhang en Mechanical Science and Engineering, afgestudeerde student Lalith Bonagiri, publiceerden onlangs dit onderzoek, “Real-Space Charge Density Profiling of Electrode-Electrolyte Interfaces with Angstrom Depth Resolution,” in ACS Nano.

Zhang en Bonagiri leggen uit dat de kern van elektrochemie de onderlinge omzetting is tussen elektrische en chemische energie op het grensvlak tussen elektrode en elektrolyt en dat dergelijke processen de accumulatie en uitputting van ladingen op het grensvlak vereisen. De ruimtelijke ladingsverdeling is daarom een ​​sleutel tot het begrijpen van de mechanismen van elektrochemische processen. De ladingsdichtheidsprofielen op deze interfaces zijn echter een puzzel gebleven.

Het team gebruikte een ionische vloeistof, 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluormethylsulfonyl)imide (EMIM-TFSI), als elektrolytkeuze, op een sterk georiënteerde elektrode van pyrolytisch grafiet (HOPG). Zowel EMIM-TFSI als HOPG zijn modelsystemen die worden gebruikt in energieopslagapparaten en supercondensatoren.

Ze gebruikten ook een ander type opkomende elektrolyt: water-in-zout (WiS), dat is samengesteld uit sterk geconcentreerd zout in waterige oplossing (zout overtreft het oplosmiddel). WiS-elektrolyten werden voor het eerst geïntroduceerd in 2015 en sindsdien zijn ze op grote schaal onderzocht als een haalbare optie om batterijen te maken met verbeterde veiligheid en minder impact op het milieu.

De experimentele techniek die in dit onderzoek wordt gebruikt, is gebaseerd op wat het team eerder heeft gebruikt, maar met nieuw ontwikkelde data-analysemethoden. Zoals Bonagiri het stelt: “We hebben die techniek gebruikt [EC-3D-AFM] naar het volgende niveau waar we telhistogrammen deconvolueren en de ladingsdichtheidsprofielen verkrijgen met behulp van elektrostatische algoritmen.”

Deze nieuwe methode, CP-3D-AFM genaamd, maakt het mogelijk om ruimtelijke ladingsverdeling van zowel het lokale elektrode-oppervlak als EDL’s te verkrijgen. Het team gebruikte CP-3D-AFM om de ladingsherschikkingen van ionische vloeistof/HOPG- en WiS/HOPG-interfaces te bepalen en observeerde subnanometervariaties in ladingsdichtheid, wat cruciaal is voor capacitieve energieopslag en andere elektrochemische functies van deze systemen.

Zhang en Bonagiri zeggen dat deze methode breed toepasbaar zal zijn op een groot aantal praktische elektrochemische apparaten, waaronder batterijen, brandstofcellen, elektrolysers en supercondensatoren.