En utilisant une combinaison de techniques de simulation et expérimentales, les chercheurs en science et ingénierie des matériaux de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign ont pu identifier la structure électrique à double couche d’un liquide ionique sur une série d’électrodes cristallines.
La recherche, publiée le 5 octobre dans Journal des lettres de chimie physiquedes simulations combinées de dynamique moléculaire (MD) et de microscopie électrochimique à force atomique 3D (EC-3D-AFM) pour obtenir une compréhension plus complète de l’interface solide-liquide.
Le professeur MatSE Yingjie Zhang et l’étudiant diplômé Kaustubh Panse, qui ont collaboré avec un groupe de l’Université du Texas à Austin pour effectuer les simulations MD, ont récemment adapté une technique bien connue, AFM, pour développer EC-3D-AFM, qui effectue des mesures AFM dans une cellule électrochimique pour étudier les changements de morphologie de surface lors de réactions électrochimiques.
Comprendre la frontière entre les solides et les liquides (l’interface solide-liquide) est important pour comprendre combien de systèmes de matériaux, tels que les batteries et les supercondensateurs, fonctionnent. Les doubles couches électriques (EDL) à cette interface, également appelées couche de solvatation, font référence à des couches parallèles de charges entourant le solide. Comme le dit Panse, « les EDL sont des couches de molécules liquides à l’interface, et elles se produisent parce que le solide sous-jacent influence le liquide au-dessus en raison de l’effet de frontière et d’autres interactions ».
Comprendre l’EDL aide les scientifiques à déterminer le fonctionnement d’un système, mais c’est délicat. En raison des interactions intermoléculaires (entre molécules) et molécule-électrode, il peut être difficile de dériver la structure EDL.
Dans cette recherche, l’équipe a utilisé des liquides ioniques (un sel à l’état liquide), qui sont utilisés dans diverses applications électrochimiques telles que les batteries, les supercondensateurs et les électrolyseurs. Cependant, les liquides ioniques n’ont pas été aussi largement étudiés que les solutions aqueuses. Panse dit que l’objectif était de développer une théorie fondamentale sur la façon dont ces liquides ioniques sont disposés sur l’interface. De plus, il explique que « le processus qui se produit à l’interface détermine le résultat global : si les molécules sont à plat le long de l’interface, il est possible que cela puisse donner beaucoup plus de capacité que si les molécules sont perpendiculaires. L’orientation moléculaire affecte vraiment l’ensemble. capacité et la performance globale du système.
Le système liquide ionique utilisé était le 1-éthyl-3-méthylimidazolium bis(trifluorométhylsulfonyl)imide (EMIM-TFSI). EMIM-TFSI est un système modèle utilisé dans les supercondensateurs et les dispositifs de stockage d’énergie en raison de sa fenêtre de charge capacitive élevée. L’équipe a étudié ce liquide ionique sur une série d’électrodes cristallines : flocons de bisulfure de molybdène (MoS2) et graphite pyrolytique hautement orienté (HOPG).
Ces électrodes cristallines sont distinctes dans leurs propriétés électroniques, ce qui signifie que si l’association d’ions est similaire sur les deux systèmes, ces résultats peuvent être attribués de manière crédible à l’EDL plutôt qu’à l’interaction des électrodes. Le liquide ionique et les électrodes ont été choisis car ce sont des systèmes bien connus et bien étudiés, permettant une étude fondamentale de l’EDL d’un liquide ionique. Au cours des expériences EC-3D-AFM, le comportement du système à différents potentiels a été mesuré et compilé pour obtenir une image complète de l’EDL.
L’équipe a observé une forte association et une interaction intermoléculaire entre les cations (EMIM+) et les anions (TSFI-) à partir des simulations MD. La simulation a examiné toutes les paires d’espèces possibles dans le liquide ionique (EMIM+-EMIM+, TFSI–TFSI-, EMIM+-TFSI-) dans le premier EDL de EMIM-TFSI/MoS2. Les résultats ont révélé une forte interaction intermoléculaire entre les cations (EMIM+) et les anions (TFSI-), contrairement aux interactions plus faibles EMIM+-EMIM+ et TFSI–TFSI-.
Par conséquent, l’équipe propose que la structure d’association cation-anion de la couche la plus interne soit le descripteur clé de l’EDL. La structure EDL simulée d’EMIM-TFSI sur les deux électrodes était « étonnamment similaire », ce qui indique que les interactions spécifiques aux électrodes sont beaucoup plus faibles que les effets des interactions intermoléculaires entre les espèces ioniques.
Ces prédictions théoriques ont été confirmées par des expériences EC-3D-AFM. Les chercheurs ont observé une réponse similaire sur une gamme de systèmes, donc « il est fort probable que ces descripteurs puissent être largement appliqués à une large gamme d’électrodes, d’électrolytes et de différents systèmes électrochimiques », a déclaré Panse. « Nous espérons qu’ils serviront de guide de conception rationnelle pour différents systèmes électrochimiques à l’avenir. »
Plus d’information:
Kaustubh S. Panse et al, La configuration de l’association d’ions la plus interne est un descripteur structurel clé des liquides ioniques aux interfaces électrifiées, Le Journal des lettres de chimie physique (2022). DOI : 10.1021/acs.jpclett.2c02768