Distributions de densité de charge des doubles couches électriques

En développant leur technique de microscopie à force atomique 3D électrochimique (EC-3D-AFM) récemment développée, les chercheurs de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign ont dérivé le profil de profondeur de la densité de charge des doubles couches électriques (EDL). Grâce à l’analyse statistique, à la déconvolution maximale et aux calculs électrostatiques, les chercheurs ont développé l’AFM 3D de profilage de charge (CP-3D-AFM) pour quantifier expérimentalement la distribution de charge aux interfaces électrode-électrolyte.

Yingjie Zhang, professeur en science des matériaux et en génie, et Lalith Bonagiri, étudiante diplômée en sciences et génie mécaniques, ont récemment publié cette recherche, “Real-Space Charge Density Profiling of Electrode-Electrolyte Interfaces with Angstrom Depth Resolution”, dans ACS Nano.

Zhang et Bonagiri expliquent que le cœur de l’électrochimie est l’interconversion entre l’électricité et énergie chimique à l’interface électrode-électrolyte et de tels processus nécessitent l’accumulation et l’épuisement des charges à l’interface. La distribution spatiale des charges est donc une clé pour comprendre les mécanismes des processus électrochimiques. Cependant, les profils de densité de charge à ces interfaces sont restés un casse-tête.

L’équipe a utilisé un liquide ionique, le 1-éthyl-3-méthylimidazolium bis(trifluorométhylsulfonyl)imide (EMIM-TFSI), comme choix d’électrolyte, sur une électrode en graphite pyrolytique hautement orienté (HOPG). EMIM-TFSI et HOPG sont des systèmes modèles utilisés dans les dispositifs de stockage d’énergie et les supercondensateurs.

Ils ont également utilisé un autre type d’électrolyte émergent : l’eau dans le sel (WiS), qui est composé de sel très concentré en solution aqueuse (le sel est plus nombreux que le solvant). Les électrolytes WiS ont été introduits pour la première fois en 2015 et depuis lors, ils ont été largement explorés en tant qu’option viable pour fabriquer des batteries avec une sécurité accrue et des impacts environnementaux réduits.

La technique expérimentale utilisée dans cette recherche est basée sur ce que l’équipe a utilisé précédemment, mais avec des méthodes d’analyse de données nouvellement développées. Comme le dit Bonagiri, “Nous avons pris cette technique [EC-3D-AFM] au niveau suivant où nous déconvoluons les histogrammes de comptage et obtenons les profils de densité de charge à l’aide d’algorithmes électrostatiques.”

Cette nouvelle méthode, nommée CP-3D-AFM, permet l’acquisition de la distribution de charge spatiale de la surface de l’électrode locale et des EDL. L’équipe a utilisé CP-3D-AFM pour déterminer les réarrangements de charge des interfaces liquide ionique/HOPG et WiS/HOPG et a observé des variations inférieures au nanomètre de la densité de charge, ce qui est crucial pour le stockage d’énergie capacitif et d’autres fonctions électrochimiques de ces systèmes.

Zhang et Bonagiri affirment que cette méthode sera largement applicable à une large gamme de dispositifs électrochimiques pratiques, notamment les batteries, les piles à combustible, les électrolyseurs et les supercondensateurs.