20.01.2022 - Ruhr-Universität Bochum

Capacidad inesperada de almacenamiento de energía donde el agua se encuentra con superficies metálicas

La carga almacenada capacitivamente en las interfaces de platino puede ser significativamente mayor de lo que se suponía hasta ahora

Un nuevo método permite medir la (re)carga eléctrica de las capas límite entre partículas metálicas muy pequeñas y soluciones acuosas y comprenderla a nivel molecular.

Los investigadores del Grupo de Excelencia RESOLV de la Universidad del Ruhr de Bochum (RUB) han utilizado mediciones de corriente y voltaje en nanopartículas individuales para determinar que la carga almacenada capacitivamente en las interfaces de platino puede ser significativamente mayor de lo que se suponía. Lo atribuyen a una disposición y unión especial de las moléculas de agua. Para ello, el equipo internacional dirigido por la profesora Kristina Tschulik, cuyas ideas recibieron una "ERC Starting Grant" del Consejo Europeo de Investigación en 2020, cooperó con socios de Francia e Israel. Los autores describen sus hallazgos en la revista "Angewandte Chemie International Edition" - en línea, publicada el 19 de diciembre de 2021.

Aunque las interfaces entre los metales y el agua son las áreas locales donde se producen procesos cruciales de las tecnologías energéticas, como la división del agua, se sabe comparativamente poco sobre su estructura y los cambios que se producen durante dichos procesos. Durante más de 100 años, la descripción científica de estas interfaces se ha basado en el modelo de la llamada doble capa electroquímica. Éste establece que los portadores de carga en una solución acuosa se disponen cada vez más en la región límite con el metal, para compensar el exceso de cargas eléctricas en el lado del metal. En el proceso, las cargas opuestas son separadas por moléculas de agua. Al igual que en un condensador de placa estándar, esta separación nanoscópica de cargas en la interfaz permite almacenar energía y liberarla posteriormente. Los procesos en los que cambia la estructura molecular de la doble capa electroquímica son relevantes para muchas tecnologías verdes, como los supercondensadores y las pilas de combustible.

Miles de veces más pequeñas que el diámetro de un cabello humano

Las nanopartículas, que son miles de veces más pequeñas que el diámetro de un cabello humano, se investigan para estas aplicaciones técnicas. Debido a su ventajosa relación entre superficie y volumen, ofrecen condiciones especialmente buenas para ello. "Para seguir la pista a la capacitancia y a los procesos de reordenación en la doble capa electroquímica de las nanopartículas de platino y oro, era crucial desarrollar un método que permitiera medir con precisión las corrientes de descarga en nanopartículas individuales en solución", informa Kristina Tschulik. De lo contrario, no sería posible distinguir los efectos relacionados con la doble capa electroquímica de los causados por la interacción de las nanopartículas vecinas, ya que en un electrodo convencional hay miles de millones de ellas".

La científica iraní Dra. Mahnaz Azimzadeh Sani, financiada por el Servicio Alemán de Intercambio Académico (DAAD), utilizó las llamadas dispersiones de nanopartículas coloidales. En ellas, las nanopartículas se separan unas de otras y se dispersan finamente en una solución acuosa, golpeando aleatoriamente un microelectrodo sesgado de vez en cuando. Con la ayuda de simulaciones de dinámica molecular asistidas por ordenador, en las que trabajaron investigadores de la RUB y de las Universidades de París-Saclay y de la Sorbona de París, fue posible interpretar las similitudes y diferencias en las corrientes capacitivas medidas en función del voltaje de diferentes tipos de dispersiones de nanopartículas. Las capacitancias, inesperadamente altas, se atribuyen al aumento de la acumulación de iones disueltos en las regiones situadas entre una capa de agua compacta unida al platino (y menos trongl al oro) y una capa de agua adyacente de diferente disposición. "Además, las moléculas de agua se desprenden de la superficie del metal cuando se aplica un voltaje más negativo", explica la Dra. Julia Linnemann, jefa del equipo de la cátedra de Tschulik. En el futuro, los científicos de la RUB quieren averiguar si la estructura de la doble capa es diferente, y por qué, en los electrodos grandes compuestos por muchas nanopartículas, con el fin de que los hallazgos puedan utilizarse para aplicaciones comerciales.

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