Hvordan positivt og negativt ladede ioner opfører sig ved grænseflader

Hvordan positivt og negativt ladede ioner opfører sig ved grænsefladen mellem en fast overflade og en vandig opløsning er blevet undersøgt af forskere fra Cluster of Excellence RESOLV ved Ruhr-Universität Bochum, dets søsterforskningsnetværk CALSOLV i Berkeley og University of Evry i Paris. Ved SOLEIL-synkrotronen var de i stand til at bruge terahertz-spektroskopi til at observere præcis, hvornår og hvordan vandskallerne omkring natrium- og kloridioner fjernes, når der påføres spændinger i en elektrolytopløsning. De beskriver deres resultater i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences , eller PNAS, offentliggjort online den 15. november 2021.

Elektrokemisk dobbeltlag mellem elektrolyt og fast grænseflade

Elektrolytter er kemiske forbindelser, hvori der forekommer separate ioner. For eksempel, når natriumchlorid (NaCl) opløses i vand, adskilles de positivt ladede natriumioner og de negativt ladede chloridioner og kan bevæge sig frit i opløsningen. På grund af den elektriske tiltrækning mellem ionerne og vandmolekylerne dannes der en skal af vandmolekyler omkring de enkelte ioner - en såkaldt hydreringsskal, der er stabil i opløsningen. Et lag af ladningsbærere dannes i umiddelbar nærhed af det elektriske grænselag mellem elektroden og vandet. Et positivt og et negativt ladningslag ligger over for hinanden, hvorfor dette lag også kaldes et elektrokemisk dobbeltlag. Ifølge lærebøger i kemi sker der følgende, når der påføres en spænding:tiltrækningen mellem elektroden og ionerne fjerner vandskallen, og en ladningsoverførsel, en strøm, opstår.

Dette enkle billede forklarer, hvordan et batteri fungerer. I nærværende arbejde har forskerne fra Bochum, Berkeley og Paris undersøgt, om det også er korrekt på molekylært niveau. De kontrollerede også, om processen er identisk, når der skiftevis påføres negative eller positive spændinger.

Observation under processen er vanskelig

At observere kemiske processer på molekylært niveau, mens en spænding påføres, er en særlig eksperimentel udfordring. Det er præcis, hvad det lykkedes forskerne i det aktuelle studie med terahertz-spektroskopi, som de kombinerede med simuleringer. Til dette formål undersøgte forskerne det elektrokemiske dobbeltlag, der dannes i en NaCl-opløsning i umiddelbar nærhed af en guldoverflade ved SOLEIL-synkrotronen i Paris.

Terahertz-spektroskopi gør det muligt at følge stripningen af ​​hydreringsskallen live. Forskerne viste også for første gang, hvordan vandnetværkene på den ladede guldoverflade ændrer sig. Dette er vigtigt for at forstå, hvordan den samlede energi ændrer sig i processen. "Det var forbløffende for os at se, at processen kører forskelligt for positive og negative ladninger," opsummerer professor Martina Havenith, talsmand for RESOLV.

Asymmetrisk frigørelse af hydreringsskallen

Forskerne fandt ud af, at hydreringsskallerne af natrium- og chloridioner opførte sig anderledes i det elektrokemiske dobbeltlag. Hydratiseringsskallen af ​​de positivt ladede ioner var allerede løsnet ved små påførte spændinger, og natriumionen blev tiltrukket af elektroden. For de negativt ladede chloridioner skete dette kun ved en højere påført spænding. Holdet var i stand til at tilskrive disse forskelle til adfærden af ​​vandnetværkene ved grænsefladen. Forskerne bekræftede resultaterne ved hjælp af komplekse computersimuleringer.

"Metoden og resultaterne kan nu bruges til at undersøge vandets afgørende rolle i andre grænsefladeprocesser, for eksempel ved grænseflader mellem halvledere og elektrolyt," siger Martina Havenith. Resultaterne er vigtige for at forstå og optimere elektrokemiske processer, for eksempel til teknologiske anvendelser som solcelle- eller brændselscelleteknologier.