Vandspaltning observeret på nanometerskalaen

Det er et velkendt skoleeksperiment:Anvendelse af en spænding mellem to elektroder indsat i vand producerer molekylært brint og ilt. Forskere søger at gøre vandopdeling så energieffektiv som muligt for at fremme industrielle anvendelser. Elektrodens materiale og dens overfladekvalitet er afgørende aspekter, der bestemmer spaltningseffektiviteten. I særdeleshed, ru pletter på kun få nanometer store, kaldet reaktive centre, bestemme den elektrokemiske reaktivitet af en elektrode.

Tidligere undersøgelsesmetoder var ikke nøjagtige nok til at følge kemiske reaktioner, der finder sted ved sådanne reaktive centre på elektrodeoverfladen med tilstrækkelig rumlig opløsning under virkelige driftsforhold, dvs. i elektrolytopløsning ved stuetemperatur og med en påført spænding. Et team af forskere ledet af Dr. Katrin Domke ved MPI-P har nu udviklet en metode, hvormed de indledende trin i elektrokatalytisk vandspaltning på en guldoverflade kunne studeres for første gang med en rumlig opløsning på mindre end 10 nm under driftsbetingelser.

"Vi var i stand til eksperimentelt at vise, at overflader med fremspring i nanometerområdet deler vand på en mere energieffektiv måde end flade overflader, " siger Katrin Domke. "Med vores billeder, vi kan følge den katalytiske aktivitet af de reaktive centre under de indledende trin af vandspaltningen."

Forskerne kombinerede forskellige teknikker:I Raman-spektroskopi, molekyler belyses med lys, som de spreder. Det spredte lysspektrum indeholder information, der giver et kemisk fingeraftryk af molekylet, gør det muligt at identificere kemiske arter. Imidlertid, Raman-spektroskopi producerer typisk kun meget svage og rumligt gennemsnitlige signaler over hundreder eller tusinder af nanometer.

Af denne grund, forskerne kombinerede Raman-teknikken med scanning-tunnelmikroskopi. Ved at scanne en nanometertynd guldspids belyst med laserlys over overfladen, der undersøges, Raman -signalet forstærkes af mange størrelsesordener direkte ved spidsen, der fungerer som en antenne. Denne stærke forstærkende effekt muliggør undersøgelse af isolerede molekyler. Desuden, den stramme fokusering af lyset ved spidsen fører til en rumlig optisk opløsning på mindre end ti nanometer. Især apparatet kan betjenes under realistiske elektrokatalytiske driftsforhold.

"Vi var i stand til at vise, at under vandspaltning på nanometer ujævne steder - dvs. reaktive centre - der dannes to forskellige guldoxider, der kunne repræsentere vigtige mellemprodukter i adskillelsen af ​​oxygenatomet fra hydrogenatomerne, " siger Domke. Forskerne har fået mere præcis indsigt i de processer, der foregår på nanometerskalaen på reaktive overflader, som kunne lette designet af mere effektive elektrokatalysatorer i fremtiden, der kræver mindre energi for at spalte vand til brint og ilt.

Forskerne har offentliggjort deres resultater i tidsskriftet Naturkommunikation .