Физики Московского института электроники и математики имени А.Н. Тихонова Высшей школы экономики (МИЭМ ВШЭ) предложили единую теоретическую модель двойного электрического слоя (ДЭС), которая одновременно учитывает избирательное прикрепление ионов к поверхности и частичный перенос заряда между ионами и металлом (раньше их описывали раздельно). О важности теоретического исследования рассказали в пресс-службе вуза.
В аккумуляторах и суперконденсаторах электрический заряд проходит через электроды — обычно металлические пластины, пространство между которыми заполнено жидкостью с ионами — электролитом. На границе металла и электролита ионы подходят к поверхности, выстраиваются у нее и частично меняют свою электронную плотность. Так формируется ДЭС — область у границы раздела металла и электролита, где накапливается заряд.
От устройства ДЭС зависит, сколько заряда накопит электрод, как быстро сможет его отдать, а также эффективность реакций на его поверхности. Долгое время ДЭС описывали фрагментарно, приходилось сочетать несколько моделей.
Исследователи Лаборатории вычислительной физики МИЭМ ВШЭ разработали теоретическую модель, в которой оба слоя описываются единой системой уравнений. Модель учитывает два важных процесса:
- специфическую адсорбцию — процесс «прилипания» ионов к поверхности за счет химических взаимодействий;
- процесс частичного переноса заряда, при котором ион и электрод обмениваются долей заряда электрона.
Для описания с помощью квантово-химических расчетов и компьютерного моделирования было изучено, как ведет себя ион в растворе рядом с металлической поверхностью: на каком расстоянии он обычно находится, насколько сильно притягивается к металлу и какую часть заряда может передать. Полученные величины подставили в более общую теоретическую схему для описания всего ДЭС.
Модель протестировали на системах с серебром и растворами солей гексафторфосфата калия (KPF₆) и фторида натрия (NaF), а также раствором их смеси и сопоставили с известными экспериментальными данными. Она корректно воспроизвела данные о емкости и объяснила поведение смеси внутри ДЭС: один тип ионов там активно адсорбируется, а другой — почти нет, и модель верно описала вытеснение одного вида ионов другим.
Чтобы сделать эффективные батареи или катализаторы, важно понимать, что происходит на границе металла и раствора в ДЭС. Наша модель учитывает и то, насколько сильно ионы держатся у поверхности, и то, как они обмениваются зарядом с металлом. В дальнейшем мы хотим адаптировать модель к системам, где эти эффекты выражены сильнее, например, в электрокатализе. Тогда по расчетам можно будет лучше понимать, как выбор металла и раствора влияет на свойства двойного слоя, и использовать это при проектировании новых электрохимических устройств.
Результаты исследования опубликованы в журнале Electrochimica Acta.
Ранее Наука Mail рассказывала, что российские ученые создали сорбент для радиоактивных отходов по образцу природного минерала.
