Aprendizaje de la cinética de reacción heterogénea de los vídeos de rayos X píxel por píxel

Área de la Ciencia:

• Ciencias de los materiales
• Ingeniería Química
• Ciencia de los datos

Sus antecedentes:

• Cuantificar las tasas de reacción en interfaces heterogéneas e inestables es un desafío, pero es vital para aplicaciones como las baterías y los electrocatalizadores.
• La microscopía operando produce datos de imagen ricos, pero carece de métodos basados en datos para extraer la física subyacente debido a acoplamientos complejos.
• Los métodos existentes luchan con la intrincada interacción de la cinética de la reacción, la química de la superficie y la separación de fases.

Objetivo del estudio:

• Desarrollar un método basado en datos para el aprendizaje de la cinética de reacción heterogénea a partir de imágenes de microscopía in situ.
• Extraer el paisaje de energía libre y la cinética de reacción de materiales con interfaces complejas.
• Caracterizar y optimizar de manera no destructiva las superficies reactivas heterogéneas.

Principales métodos:

• Se utilizaron imágenes de microscopía de rayos X de transmisión in situ (STXM) de nanopartículas de fosfato de litio y hierro (LFP) recubiertas de carbono.
• Combinado un gran conjunto de datos de imágenes STXM con un modelo de campo electroquímico termodinámicamente consistente.
• Optimización restringida por ecuaciones diferenciales parciales (EDP) y cuantificación de la incertidumbre.

Principales resultados:

• Aprendió con éxito la cinética de reacción heterogénea de las imágenes STXM, que se correlaciona estrechamente con el grosor del recubrimiento de carbono.
• Extrajo el paisaje de energía libre y la cinética de la reacción, mostrando consistencia con los modelos teóricos.
• Se logró una discrepancia media de <7% en 180.000 píxeles, comparable al ruido experimental.

Conclusiones:

• El método desarrollado permite aprender las propiedades de los materiales no equilibrados más allá del alcance experimental tradicional.
• Ofrece una técnica nueva y no destructiva para caracterizar y optimizar superficies reactivas heterogéneas.
• Avanza en la comprensión y la ingeniería de materiales para el almacenamiento y la catálisis de energía.