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Información molecular sobre la doble capa eléctrica

Unos investigadores respaldados por la Unión Europea, que estudian la estructura molecular de interfaces sólido-líquido, han descubierto una capacidad de almacenamiento de alta energía inesperada donde el agua entra en contacto con superficies metálicas.

Energía

La doble capa eléctrica (EDL, por sus siglas en inglés), estructura que aparece en la superficie de un objeto cuando se expone a un fluido, desempeña un papel importante en procesos electroquímicos interfaciales como la electrocatálisis, el almacenamiento de energía y la corrosión. Para comprender y controlar tales procesos, los científicos necesitan obtener más información sobre la estructura molecular de las interfaces sólido-líquido. Con el objetivo de lograr comprender mejor estas interfaces a escala molecular, unos respaldados parcialmente por los proyectos HMST-PC, AMPERE y MITICAT, financiado con fondos europeos, estudiaron interfaces de nanopartículas de platino y oro con agua utilizando la electroquímica de nanoimpacto. Sus hallazgos se publicaron en la revista «Angewandte Chemie International Edition».

Aprovechamiento de la electroquímica de nanoimpacto

La electroquímica de nanoimpacto es una nueva herramienta potente que permite a los científicos obtener información físico-química relacionada con los efectos estructurales sobre la capacitancia de la EDL de nanomateriales, sin ningún artefacto derivado de la porosidad de la capa ni de aditivos. La capacitancia de la EDL se produce cuando un electrodo y una solución líquida entran en contacto, lo cual hace que se formen dos capas de cargas eléctricas con polaridades opuestas y facilita el almacenamiento de electricidad en ellas. Esta nueva herramienta abrió el camino a nuevas posibilidades relativas a la caracterización de nanopartículas coloidales. Gracias a su elevada relación superficie-volumen, las nanopartículas resultan adecuadas para muchas aplicaciones. Sin embargo, es complicado caracterizar de forma explícita la capacitancia de la EDL en las nanopartículas. Según se informó en el estudio, las nanopartículas «deben ser procesadas para obtener electrodos completos para las mediciones electroquímicas convencionales, lo cual a menudo implica el uso de aditivos y da lugar a efectos de agrupamiento e incertidumbres relativas a la superficie con actividad electroquímica». La electroquímica de nanoimpacto soluciona este problema. «Para rastrear la capacitancia y los procesos de reordenación en la EDL de nanopartículas de platino y oro, fue fundamental desarrollar un método en el puedan medirse corrientes de descarga precisas en nanopartículas individuales en solución», comenta la catedrática y doctora Kristina Tschulik, autora principal del estudio, del proyecto MITICAT, de la Universidad Ruhr de Bochum, Alemania, entidad anfitriona del proyecto, en una nota de prensa publicada en el sitio web «EurekAlert!». Para la investigación, el equipo utilizó dispersiones de nanopartículas coloidales, en las que partículas individuales finamente dispersas en una solución acuosa impactaban al azar con un ultramicroelectrodo. Mediante simulaciones por ordenador de dinámica molecular el equipo pudo encontrar similitudes y diferencias en las corrientes capacitivas dependientes del voltaje medidas de los distintos tipos de dispersiones de nanopartículas. Los cálculos indicaron que la fuerte interacción con las moléculas de agua da lugar a la quimisorción del agua y a una alta acumulación de iones inesperada, lo cual genera una mayor capacidad de almacenamiento de carga de la interfaz. Según escriben los autores en el estudio: «Se descubrió que la capacidad de almacenamiento de carga de la doble capa aumenta alrededor de un orden de magnitud respecto a las predicciones basadas en modelos de campo medio tradicionales. Proponemos que la gran capacitancia medida en las superficies de platino y oro proviene de las fuertes interacciones entre la superficie de metal y la capa adsorbida de agua. Estas fomentan la quimisorción del agua y la acumulación de iones en la interfaz. El menor valor de capacitancia que se midió para el oro se atribuye a una unión más débil de la capa adsorbida de agua con el oro en comparación con las superficies de platino». La información obtenida con el apoyo de los proyectos HMST-PC (Synthesis of Hybrid Metal-Semiconductor Tetrapod Photocatalysts for Improved Water Splitting), AMPERE (Accounting for Metallicity, Polarization of the Electrolyte, and Redox reactions in computational Electrochemistry), y MITICAT (Microfluidic Tuning of Individual Nanoparticles to Understand and Improve Electrocatalysis) podría iniciar el ajuste activo de las interacciones sólido-disolvente y disolvente-solvente formadas por la capa adsorbida de agua. Esto podría dar lugar a unas tecnologías de conversión y almacenamiento de energía con mejor rendimiento. Para más información, consulte: El proyecto HMST-PC El sitio web del proyecto AMPERE El proyecto MITICAT

Palabras clave

HMST-PC, AMPERE, MITICAT, nanopartícula, doble capa eléctrica, capa adsorbida de agua, oro, platino, capacitancia

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