Новая модель ускоряет разработку суперконденсаторов и катализаторов

Мощность суперконденсаторов, их ресурс и КПД электрокатализаторов зависят не только от «химии» материалов, но и от того, что происходит на границе электрод–электролит в наномасштабе. Этот интерфейс образует двойной электрический слой — упорядоченную прослойку ионов, которая определяет, насколько эффективно устройство накапливает и отдаёт заряд или ускоряет электрохимическую реакцию. Экспериментально изучать такой слой сложно, поэтому теоретические модели здесь особенно ценны.

Коллектив ВШЭ и нескольких институтов РАН доработал свою предыдущую модель двойного слоя, сделав её заметно более «живой». В исходной версии хорошо описывалось, как меняется распределение ионов и дифференциальная ёмкость в зависимости от напряжения. Теперь в расчёты добавлены два тонких, но принципиально важных механизма: адсорбция ионов на поверхности электродов и частичный перенос заряда между ионами и электродом.

Именно эти процессы во многом определяют реальное поведение интерфейса — его ёмкость, устойчивость, склонность к перестройкам при смене потенциала. Обновлённая модель позволяет прослеживать, как разные типы ионов конкурируют за место у поверхности, как они «переключают» характеристики двойного слоя и каким будет вклад каждого компонента электролита в итоговую работу устройства.

Корректность подхода авторы подтвердили на конкретных системах: серебряные электроды в растворах солей фтора, фосфора и щёлочных металлов. Полученные на компьютере профили замещения ионов и зависимости ёмкости хорошо совпали с экспериментом. Это значит, что ту же математическую «машину» можно использовать для предварительного проектирования новых суперконденсаторов и электрокатализаторов, не тратя месяцы на подбор составов вслепую.

В перспективе такие модели становятся частью полного цифрового контура разработки: от подбора пары «электрод–электролит» под нужные характеристики до оптимизации реальных устройств для транспорта, энергетики и химической промышленности. Чем лучше мы понимаем микрофизику двойного слоя, тем быстрее появляются более компактные, ёмкие и долговечные накопители энергии и более эффективные промышленные катализаторы, сообщает ТАСС.