Elektrokemiska processer kan användas för att omvandla CO ₂ till användbara utgångsmaterial för industrin. För att optimera processerna, kemister försöker i detalj beräkna energikostnaderna som orsakas av de olika reaktionspartnerna och stegen. Forskare från Ruhr-Universität Bochum (RUB) och Sorbonne Université i Paris har upptäckt hur små hydrofoba molekyler, som CO ₂ , bidra till energikostnaderna för sådana reaktioner genom att analysera hur molekylerna interagerar i vatten vid gränssnittet. Teamet beskriver resultaten i journalen Förfaranden från National Academy of Sciences , publicerades online den 13 april 2021.

För att utföra arbetet, Dr Alessandra Serva och professor Mathieu Salanne från Laboratoire PHENIX vid Université Sorbonne samarbetade med professor Martina Havenith och Dr Simone Pezzotti från Bochums lärostol för fysikalisk kemi II.

Avgörande roll för små hydrofoba molekyler

I många elektrokemiska processer, små hydrofoba molekyler reagerar på katalysatorytor som ofta består av ädelmetaller. Sådana reaktioner sker ofta i en vattenlösning, varvid vattenmolekylerna bildar så kallade hydratiseringsskal runt de andra molekylerna:de ackumuleras runt de andra molekylerna. Vattnet som omger polar, d.v.s. hygroskopiska molekyler beter sig annorlunda jämfört med vattnet som omger opolära molekyler, som också kallas hydrofoba. Den fransk-tyska forskargruppen var intresserad av denna hydrofoba hydrering.

Med hjälp av molekylär dynamiska simuleringar, forskarna analyserade den hydrofobiska hydreringen av små molekyler som koldioxid (CO ₂ ) eller kväve (N2) vid gränsytan mellan guldet och vattnet. De visade att växelverkan mellan vattenmolekyler i närheten av små hydrofoba molekyler ger ett avgörande bidrag till energikostnaderna för elektrokemiska reaktioner.

Modell för beräkning av energikostnader utökas

Forskarna implementerade dessa fynd i Lum-Chandler-Weeks-teorin. Detta gör det möjligt att beräkna energin som krävs för att bilda vattennätverk. "Energikostnaderna för hydrofob hydrering beräknades för huvuddelen i den tidigare modellen. Denna modell har nu utökats här till hydrofoba molekyler nära gränssnitt. Detta fall ingick inte tidigare, " förklarar Martina Havenith, Talmannen i Ruhr utforskar Solvation Cluster of Excellence, RESOLV för kort, på RUB. Den anpassade modellen gör att energikostnaderna för hydrofob hydrering nu kan beräknas i gränssnittet mellan guld och vatten baserat på storleken på de hydrofoba molekylerna. "På grund av vattenbidraget, molekylernas storlek spelar en viktig roll i de kemiska reaktionerna vid dessa gränssnitt, " säger Dr Simone Pezzotti från Bochums ordförande för fysikalisk kemi II.

Till exempel, modellen förutspår att små hydrofoba molekyler tenderar att ackumuleras vid gränssnittet baserat på interaktioner med vattnet, medan större molekyler skulle stanna längre bort i lösningen.