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《自然》子刊:水钠锰矿研究为电化学和能量储存提供新思路

前瞻网    2021-08-04 11:27

 

《自然》子刊:水钠锰矿研究为电化学和能量储存提供新思路

离子从电解质在电极表面的吸附是一个普遍存在的过程,用于现有和新兴的电化学能源技术。但是当这些离子穿过非常小的空间时会发生什么呢?为了解决这个问题,北卡罗来纳州立大学的研究人员重新检查了一种“经典”材料——水钠锰矿(birnessite)的行为。

水钠锰矿是一种水合的层状锰氧化物,可以快速地储存和释放电解质中的各种正离子,并进行多次循环。这使得它在大功率电化学储能或新兴的电化学技术(如海水淡化和从水中回收稀有元素)中的应用前景广阔。更重要的是,它是一种丰富的材料,容易制造,且无毒。

水钠锰矿吸收和释放阳离子的机理被描述为法拉第电流(涉及电荷转移)和非法拉第电流(只涉及静电离子吸附)。

为了解决这一争论,研究人员使用了实验和计算方法。

“在储能领域,我们通常认为电荷存储要么是法拉第电流,要么是非法拉第电流。”一篇关于这项工作的论文的第一作者、北卡罗来纳州立大学的博士后研究员谢尔比·博伊德(Shelby Boyd)说。“在平面界面,法拉第电流是指离子对电极的特定吸附和相应的电荷转移,如在氧化还原反应中。非法拉第电流是指没有电荷转移的纯静电吸附。人们在很大程度上认为这些电荷存储机制是相互排斥的。但我们在水钠锰矿中发现,纳米限制层间结构水缓解了插层阳离子和水钠锰矿之间的相互作用。这导致了平面界面上两种极端吸附的中间行为。”

研究人员也能够从实验和理论上证明,水钠锰矿层之间的水可以有效地作为缓冲液,在不引起水钠锰矿结构显著变化的情况下,使电性行为成为可能。

最后,研究人员说,这些发现突出了未来工作的两个方向,这两个方向都对电化学的更广泛领域有希望。

“电化学领域正在经历一场复兴。”该论文的通讯作者、北卡罗来纳州立大学材料科学与工程助理教授维罗妮卡·奥古斯汀说,“将实验结果与电化学界面的原子尺度建模联系起来的能力,使我们能够比以往更深入地探索,并提出诸如此类的问题:溶剂扮演了什么角色?当反应在限制条件下发生时会发生什么?通过理解像水钠石这样的材料的电容机制,我们为理解更复杂的电化学反应奠定了基础。”

这篇论文即将发表在《自然材料》杂志上。

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