Første observation af, hvordan vandmolekyler bevæger sig nær en metalelektrode

Et samarbejdende team af eksperimentelle og beregningsmæssige fysiske kemikere fra Sydkorea og USA har gjort en vigtig opdagelse inden for elektrokemi, idet de kaster lys over vandmolekylers bevægelse nær metalelektroder.

Denne forskning har dybtgående implikationer for at fremme næste generations batterier, der anvender vandige elektrolytter.

På nanoskalaområdet bruger kemikere typisk laserlys til at belyse molekyler og måle spektroskopiske egenskaber for at visualisere molekyler. At studere vandmolekylers adfærd nær metalelektroder viste sig imidlertid at være udfordrende på grund af den overvældende interferens fra metalatomer i selve elektroden.

Derudover bidrager vandmolekyler fjernt fra elektrodeoverfladen også til responsen af ​​det påførte lys, hvilket komplicerer den selektive observation af molekyler ved grænsefladen mellem flydende metal og elektrode.

Ledet af professor Martin Zanni fra University of Wisconsin i Madison og direktør CHO Minhaeng fra Center for Molecular Spectroscopy and Dynamics inden for Institute for Basic Science (IBS) adresserede denne udfordring med nyudviklede spektroskopiske teknikker kombineret med computersimuleringer.

For at minimere interferensen fra metallerne har forfatterne belagt overfladen af ​​elektroden med specialdesignede organiske molekyler. Derefter overfladeforstærket femtosekund (10 ^-15 for det andet) blev todimensionel vibrationsspektroskopi anvendt til at observere ændringerne i vandmolekylernes bevægelse nær metalelektroden.

Afhængigt af størrelsen og polariteten af ​​den påførte spænding på metalelektroden observerede forskerne for første gang enten deceleration eller acceleration af bevægelsen af ​​vandmolekyler nær elektroden.

"Når en positiv spænding påføres elektroden, sænkes bevægelsen af ​​nærliggende vandmolekyler. Omvendt, når en negativ spænding påføres, observeres det modsatte både i femtosekunds vibrationsspektroskopi og i computersimuleringer," forklarer Dr. Kwac.

"Resultaterne af denne undersøgelse giver afgørende information til at forstå elektrokemiske reaktioner, og tilbyder væsentlig fysisk indsigt, der er nødvendig for forskning og udvikling af vandige elektrolytbatterier i fremtiden," kommenterer direktør CHO Minhaeng fra IBS Center for Molecular Spectroscopy and Dynamics, en tilsvarende forfatter. af undersøgelsen.

Dette resultat indebærer et tæt forhold mellem elektrokemiske reaktioner, der involverer vand på overfladen af ​​elektroder og dynamikken i grænsefladevandmolekyler. Det forventes ikke kun at fremme vores forståelse af grundlæggende elektrokemiske processer, men også bane vejen for design af mere effektive og bæredygtige batteriteknologier.

Denne forskning blev offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Flere oplysninger: Hydrogenbindingsdynamikken af ​​vand til en nitril-funktionaliseret elektrode moduleres af spænding i henhold til ultrahurtig 2D IR-spektroskopi, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI:10.1073/pnas.2314998120. doi.org/10.1073/pnas.2314998120

Journaloplysninger: Proceedings of the National Academy of Sciences

Leveret af Institute for Basic Science