Plonger dans la structure des sels fondus dans des espaces restreints

Plonger dans la structure des sels fondus dans des espaces restreints

Plonger dans la structure des sels fondus dans des espaces restreints

Faisceau de rayons X synchrotron frappant des molécules de liquide ionique confinées dans une fente de carbone graphitique à pores. La diffusion des rayons X en arrière-plan révèle de nouveaux détails concernant leur structure sous nanoconfinement, qui ont été validés par des simulations quantiques. Crédits: Liam Krauss / LLNL

Les liquides ioniques (IL) à température ambiante, une classe spéciale de sels fondus, promettent des performances électrochimiques bien supérieures par rapport aux solutions aqueuses conventionnelles en raison d’une série de propriétés nouvelles et réglables. Au cours des deux dernières décennies, les IL ont été explorées comme moyen d’améliorer une gamme de technologies différentes, du stockage et de la conversion d’énergie à la catalyse en passant par la galvanoplastie de métaux et de semi-conducteurs.


Les supercondensateurs à base de carbone qui stockent l’énergie électrique au niveau de l’interface électrode-électrolyte nanoporeuse constituent un excellent exemple de cas où les IL peuvent faire leur marque. La façon dont les IL s’assemblent à cette interface régit la quantité d’énergie stockée et les taux de charge et de décharge dans les appareils. Cependant, les connaissances structurelles complètes ont mis du temps à évoluer car le comportement des électrolytes aux interfaces et sous confinement est difficile à résoudre. Cela est particulièrement vrai pour les IL, qui présentent des configurations moléculaires volumineuses, flexibles et très variables.

Dans une recherche récemment publiée dans The Journal de lettres de chimie physique, Des scientifiques du Lawrence Livemore National Laboratory (LLNL) ont couplé des expériences aux rayons X avec des simulations haute fidélité pour étudier une famille largement utilisée d’IL confinées dans des nanopores de carbone généralement utilisés dans les supercondensateurs. Le travail représente la première étude qui combine la dynamique moléculaire des premiers principes et la diffusion des rayons X pour analyser les IL confinées dans l’espace, permettant de nouvelles connaissances sur les propriétés exotiques qui ne se produisent que dans ces espaces exceptionnellement petits.

L’équipe a détecté expérimentalement une perturbation extrême dans la structure des IL, qui était uniquement prévue et expliquée par leurs simulations. L’équipe a également démontré comment les écarts par rapport au comportement typique des liquides dépendaient fortement de la taille relative des ions et des pores. Enfin, malgré des écarts de structure importants sous confinement, l’étude indique que la stabilité électrochimique supérieure des IL reste intacte, ce qui est important pour maintenir les performances des dispositifs de stockage d’énergie.

« Le véritable succès est l’intégration entre les simulations de mécanique quantique, la synthèse de nanomatériaux sur mesure et la caractérisation avancée aux rayons X. Cette puissante combinaison de techniques offre une compréhension beaucoup plus complète de la structure des IL dans des carbones poreux extrêmement étroits », a déclaré Tuan Anh Pham, LLNL scientifique du Quantum Simulations Group et auteur principal de l’article. « L’étude représente les efforts continus du LLNL pour établir une collaboration interdisciplinaire dans le domaine des matériaux énergétiques, comme le Laboratoire des applications énergétiques pour l’avenir. »

Les chercheurs du LLNL et co-auteurs de l’article, Colin Loeb et Patrick Campbell, ont tiré parti des connaissances spéciales du laboratoire pour ajuster synthétiquement la taille des pores dans les aérogels de carbone nanoporeux de grande surface. Cette nouvelle capacité matérielle a permis à l’équipe de sonder avec des rayons X synchrotron différents états confinés des liquides ioniques et de reconstituer une image plus complète des effets du confinement sur la structure.

Pour ce travail, LLNL a noué une nouvelle collaboration avec l’Université de Bayreuth en Allemagne pour capitaliser sur une expertise clé dans la caractérisation des structures à méso-échelle.

« La science des interfaces est un domaine tellement passionnant, où nous ne faisons que gratter la surface d’une compréhension atomistique de ce qui se passe réellement », a déclaré Mirijam Zobel, membre du corps professoral du Département de chimie de l’Université de Bayreuth et co-auteur sur l’étude. «C’est une expérience enrichissante de faire partie de cette équipe internationale et d’étendre nos connaissances en restructuration interfaciale de liquides complexes.

«J’adore la façon dont les différentes facettes de notre équipe ont repoussé les limites de ce à quoi elles pourraient être utilisées techniquement ou scientifiquement afin de vraiment s’intégrer ensemble», a déclaré Eric Meshot, scientifique du LLNL et chercheur principal du projet. « Nous avons été en mesure de découvrir des informations fondamentales clés qui ont des implications pratiques importantes pour les dispositifs de stockage d’énergie. Nous sommes désormais dans une position unique pour réfléchir davantage à la manière dont ces informations peuvent bénéficier à des applications réelles. »


Contrôle du transport des ions pour l’énergie, l’environnement


Plus d’information:
Tuan Anh Pham et coll. Anomalies structurelles et propriétés électroniques d’un liquide ionique sous confinement nanométrique, Le journal des lettres de chimie physique (2020). DOI: 10.1021 / acs.jpclett.0c01810

Fourni par Lawrence Livermore National Laboratory

Citation: Plonger dans la structure des sels fondus dans des espaces restreints (24 juillet 2020) récupéré le 24 juillet 2020 sur https://phys.org/news/2020-07-molten-salts-tight-spaces.html

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