Los científicos usan AFM para obtener imágenes de la estimulación eléctrica
Al desarrollar electrocatalizadores de manera efectiva, es esencial una comprensión integral de las propiedades físicas de la interfaz sólido-líquido. Los avances en la microscopía de fuerza atómica (AFM) pueden permitir la obtención de imágenes del perfil de altura de las nanoestructuras, así como la corriente eléctrica y la fuerza de fricción en esta interfaz.
Superponga la señal actual en una representación 3D de la imagen de elevación. Esto muestra claramente regiones similares a islas. El método recientemente desarrollado se utilizó para escanear la superficie de un catalizador bimetálico en un medio acuoso. La figura muestra la superposición de la señal actual en una representación 3D de la imagen de elevación. Esto muestra claramente regiones similares a islas. Crédito: M.Munz/FHI/HZB
Un estudio reciente publicado en Revista de la Sociedad Química Estadounidense Evaluó con éxito materiales electroactivos y obtuvo información valiosa que podría facilitar la optimización de electrocatalizadores. Además, este método muestra potencial para explorar los mecanismos de los electrodos de batería, la fotocatálisis y los materiales bioactivos.
Determinar las propiedades de las interfaces sólido-líquido
Las características locales de las interfaces sólido-líquido afectan la eficacia general de procesos catalíticos importantes, como la conversión electrocatalítica de dióxido de carbono, hidrógeno y oxígeno, así como el almacenamiento de energía electrocatalítica en baterías.
Desarrollar conexiones estructurales confiables en condiciones de reacción en fase líquida es fundamental para diseñar electrocatalizadores sofisticados (fotos). Sin embargo, existen muchos desafíos asociados con esto, como el mapeo preciso de pulsos eléctricos en sistemas fotoelectroquímicos y la identificación de puntos de corrosión y procesos de envejecimiento de materiales.
Además, comprender la disposición interfacial de las moléculas de agua y los iones electrolíticos, así como su influencia en la transferencia interfacial de electrones, es fundamental para optimizar los entornos microelectroquímicos.
roscado En el sitio El análisis es fundamental para examinar las interacciones entre las propiedades mecánicas, eléctricas y electroquímicas en escalas de longitud comparables con características interfaciales características para resolver estos problemas.
Microscopía de fuerza atómica para el análisis de interfases sólido-líquido
La microscopía de fuerza atómica conductiva (c-AFM) es una técnica poderosa para obtener imágenes de variaciones locales en la conductividad eléctrica en superficies, proporcionando una alta resolución lateral en el modo de contacto. Esto lo convierte en una herramienta prometedora para En el sitio Imágenes correlativas de interfaces sólido-líquido.
La precisión de las imágenes actuales en los modos de contacto se ve afectada por varias variables, incluida la carga, el radio de la punta, la fuerza de adhesión local y la deformación de la superficie. Aunque la mayoría de los estudios anteriores se realizaron en aire o vacío, otros han utilizado líquidos no polares para generar condiciones inertes.
Sin embargo, queda mucho por explorar con c-AFM, particularmente en líquidos polares relacionados con la electroestimulación. Hasta la fecha, no ha habido informes sobre el uso de imágenes de c-AFM en líquidos polares junto con imágenes de fuerza de fricción.
Sin embargo, esta técnica tiene un gran potencial para estudiar una amplia gama de fenómenos, desde propiedades de fricción en interfaces sólido-líquido hasta la optimización de catalizadores.
Aspectos destacados del estudio actual
En este estudio, los investigadores utilizaron microscopía de fuerza atómica de conducción (c-AFM) para investigar el potencial de los electrocatalizadores de cobre y oro bimetálicos y nanoestructurados para conducir el electrolito de dióxido de carbono.
La investigación tiene como objetivo brindar información a nanoescala sobre la relación entre la corriente local y la fuerza de fricción, que se ve afectada por la acumulación de la capa de hidratación molecular en la interfaz catalizador-electrolito-sonda.
En el experimento, se utilizó una punta muy afilada para escanear la superficie del catalizador y se registró el perfil de altura de la punta. La punta se unió a un voladizo en miniatura, lo que permite medir con alta sensibilidad las interacciones de fuerza entre la punta y la superficie de la muestra, incluidas las fuerzas de fricción.
“Esto nos permitió determinar simultáneamente la conductividad eléctrica, la fricción química y mecánica y las propiedades morfológicas in situ (es decir, en condiciones de fase líquida relevantes en lugar de en el vacío o en el aire).Christopher Kelly, coautor del estudio.
perspectivas de futuro
Los investigadores hicieron un innovador En el sitio Un enfoque de microscopía de fuerza atómica correlativa que permite obtener imágenes simultáneas de las propiedades eléctricas, la fricción química y la morfología local del electrocatalizador en medios acuosos y bajo control potencial.
Mediante el estudio de electrocatalizadores bimetálicos de oro y cobre, los investigadores pueden observar islas de óxido de cobre con mayor resistividad eléctrica, límites de grano y regiones de baja conductividad en la capa de agua.
Estos hallazgos sobre las interfaces sólido-líquido ayudan a mejorarlas de manera específica. Los investigadores también determinaron los entornos electroquímicos locales que influyen en la transferencia de carga en la interfaz.
El estudio muestra que En el sitio El AFM conductivo combinado con la microscopía de fuerza lateral se puede aplicar ampliamente a la caracterización a nanoescala de interfaces electrificadas sólido-líquido.
Esta investigación es valiosa para la investigación energética, los sistemas de baterías y en otras áreas, como los procesos de corrosión, los sistemas de nanosensores y las ciencias ambientales y de fluidos. La investigación adicional en esta área tiene el potencial de mejorar la comprensión de los procesos de conversión electroquímica, lo que podría desempeñar un papel importante en el desarrollo de tecnologías de ahorro de energía.
referencia
Mons, M, et al. (2023). Variables de transferencia de electrones de nanopartículas en interfaces electrocatalizador-electrolito resueltas mediante microscopía de fuerza atómica in situ. Revista de la Sociedad Química Estadounidense. Disponible en: https://doi.org/10.1021/jacs.2c12617
fuente: Asociación Helmholtz de Centros de Investigación Alemanes
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