Duiken in de structuur van gesmolten zouten in krappe ruimtes

Ionische vloeistoffen op kamertemperatuur (ILs), een speciale klasse van gesmolten zouten, beloven een veel betere elektrochemische prestatie in vergelijking met conventionele waterige oplossingen dankzij een reeks nieuwe en afstembare eigenschappen. In de afgelopen twee decennia zijn IL’s onderzocht als een middel om een ​​reeks verschillende technologieën te verbeteren, van energieopslag en conversie tot katalyse tot galvaniseren van metalen en halfgeleiders.

Een goed voorbeeld van waar IL’s hun stempel kunnen drukken, is in op koolstof gebaseerde supercondensatoren die elektrische energie opslaan aan de nanoporeuze elektrode-elektrolytinterface. Hoe IL’s bij deze interface samenkomen, bepaalt de hoeveelheid opgeslagen energie en de laad- en ontlaadsnelheden in apparaten. Alomvattende structurele inzichten evolueren echter langzaam omdat elektrolytgedrag aan grensvlakken en onder opsluiting een uitdaging is om op te lossen. Dit geldt vooral voor IL’s, die omvangrijke, flexibele en sterk variërende moleculaire configuraties vertonen.

In recent gepubliceerd onderzoek in The Journal of Physical Chemistry Letters, Wetenschappers van het Lawrence Livemore National Laboratory (LLNL) koppelden röntgenexperimenten met high-fidelity-simulaties om een ​​veel gebruikte familie van IL’s te onderzoeken die zijn opgesloten in koolstofnanoporiën die typisch worden gebruikt in supercondensatoren. Het werk vertegenwoordigt de eerste studie die moleculaire dynamica met eerste principes combineert met röntgenstraalverstrooiing om ruimtelijk beperkte IL’s te analyseren, waardoor nieuwe inzichten in exotische eigenschappen ontstaan ​​die alleen binnen deze uitzonderlijk kleine ruimtes voorkomen.

Het team ontdekte experimenteel extreme verstoring in de structuur van de IL’s, die op unieke wijze werd voorspeld en verklaard door hun simulaties. Het team toonde ook aan hoe afwijkingen van typisch vloeistofgedrag sterk afhingen van de relatieve grootte van de ionen en poriën. Ten slotte geeft de studie, ondanks aanzienlijke afwijkingen in de structuur onder opsluiting, aan dat de superieure elektrochemische stabiliteit van IL’s intact blijft, wat belangrijk is voor het behoud van de prestaties van energieopslagapparaten.

“Het echte succes is de integratie tussen kwantummechanische simulaties, op maat gemaakte synthese van nanomaterialen en geavanceerde röntgenkarakterisering. Deze krachtige combinatie van technieken biedt een veel completer begrip van de ILs-structuur in extreem smalle poreuze koolstofatomen”, zegt Tuan Anh Pham, LLNL wetenschapper in de Quantum Simulation Group en hoofdauteur op papier. “De studie vertegenwoordigt voortdurende inspanningen bij LLNL bij het tot stand brengen van interdisciplinaire samenwerking op het gebied van energiematerialen, zoals het Laboratory of Energy Applications for the Future.”

LLNL-onderzoekers en co-auteurs op het papier, Colin Loeb en Patrick Campbell, maakten gebruik van speciale Lab-kennis om de poriegroottes synthetisch af te stemmen op nanoporeuze koolstof-aerogels met een groot oppervlak. Dit nieuwe materiaalvermogen stelde het team in staat om met synchrotron-röntgenstralen verschillende besloten toestanden van de ionische vloeistoffen te onderzoeken en een vollediger beeld samen te stellen van de effecten van opsluiting op de structuur.

Voor dit werk smeedde LLNL een nieuwe samenwerking met de Universiteit van Bayreuth in Duitsland om te profiteren van belangrijke expertise in het karakteriseren van mesoschaalstructuren.

“Interface science is zo’n opwindend gebied, waar we letterlijk het oppervlak van een atomistisch begrip van wat er werkelijk aan de hand is aan het krabben”, zegt Mirijam Zobel, een faculteitslid van de afdeling Chemie van de Universiteit van Bayreuth en coauteur over de studie. “Het is een lonende ervaring om deel uit te maken van dit internationale team en om onze kennis van grensvlakherstructurering van complexe vloeistoffen uit te breiden.”

“Ik vind het geweldig hoe de verschillende facetten van ons team de grenzen verlegden van wat ze technisch of wetenschappelijk zouden kunnen gebruiken om echt samen te integreren”, zegt Eric Meshot, LLNL-wetenschapper en hoofdonderzoeker van het project. “We hebben enkele belangrijke fundamentele inzichten kunnen ontdekken die belangrijke praktische implicaties hebben voor energieopslagapparaten. Nu bevinden we ons in een unieke positie om meer na te denken over hoe deze inzichten echte toepassingen ten goede kunnen komen.”