Eerste observatie van hoe watermoleculen bewegen nabij een metalen elektrode

Een team van experimentele en computationele fysisch-chemici uit Zuid-Korea en de Verenigde Staten heeft een belangrijke ontdekking gedaan op het gebied van de elektrochemie, waarbij licht wordt geworpen op de beweging van watermoleculen nabij metalen elektroden.

Dit onderzoek heeft diepgaande implicaties voor de ontwikkeling van batterijen van de volgende generatie die gebruik maken van waterige elektrolyten.

Op nanoschaal gebruiken scheikundigen doorgaans laserlicht om moleculen te verlichten en spectroscopische eigenschappen te meten om moleculen zichtbaar te maken. Het bestuderen van het gedrag van watermoleculen in de buurt van metaalelektroden bleek echter een uitdaging vanwege de overweldigende interferentie van metaalatomen in de elektrode zelf.

Bovendien dragen watermoleculen die zich op afstand van het elektrodeoppervlak bevinden ook bij aan de respons van het toegepaste licht, wat de selectieve observatie van moleculen op het grensvlak tussen vloeibaar metaal en elektrode bemoeilijkt.

Onder leiding van professor Martin Zanni van de Universiteit van Wisconsin in Madison en directeur CHO Minhaeng van het Center for Molecular Spectrscopy and Dynamics binnen het Institute for Basic Science (IBS) heeft hij deze uitdaging aangepakt met nieuw ontwikkelde spectroscopische technieken in combinatie met computersimulaties.

Om de interferentie van de metalen te minimaliseren, bedekten de auteurs het oppervlak van de elektrode met speciaal ontworpen organische moleculen. Vervolgens wordt oppervlakte-verbeterde femtoseconde (10^-15 ten tweede) werd tweedimensionale vibratiespectroscopie gebruikt om de veranderingen in de beweging van watermoleculen nabij de metalen elektrode waar te nemen.

Afhankelijk van de grootte en polariteit van de aangelegde spanning op de metalen elektrode, observeerden de onderzoekers voor het eerst een vertraging of versnelling van de beweging van watermoleculen nabij de elektrode.

“Wanneer een positieve spanning op de elektrode wordt aangelegd, vertraagt ​​de beweging van nabijgelegen watermoleculen. Omgekeerd, wanneer een negatieve spanning wordt aangelegd, wordt het tegenovergestelde waargenomen, zowel bij femtoseconde vibratiespectroscopie als bij computersimulaties”, legt Dr. Kwac uit.

“De resultaten van dit onderzoek bieden cruciale informatie voor het begrijpen van elektrochemische reacties, en bieden essentiële fysieke inzichten die nodig zijn voor het onderzoek en de ontwikkeling van waterige elektrolytbatterijen in de toekomst”, zegt directeur CHO Minhaeng van het IBS Center for Molecular Spectrscopy and Dynamics, een corresponderende auteur. van de studie.

Deze uitkomst impliceert een nauwe relatie tussen elektrochemische reacties waarbij water op het oppervlak van elektroden betrokken is en de dynamiek van watermoleculen op het grensvlak. Verwacht wordt dat dit niet alleen ons begrip van fundamentele elektrochemische processen zal vergroten, maar ook de weg zal vrijmaken voor het ontwerp van efficiëntere en duurzamere batterijtechnologieën.

Dit onderzoek is gepubliceerd in de Proceedings van de Nationale Academie van Wetenschappen.