Elektrokemiska reaktioner är centrala för gröna övergångar. Dessa reaktioner använder elektrisk ström och potentialskillnad för att utföra kemiska reaktioner, vilket möjliggör bindning och realisering av elektrisk energi från kemiska bindningar. Denna kemi är grunden för flera tillämpningar, såsom väteteknik, batterier och olika aspekter av cirkulär ekonomi.
Utveckling och förbättringar av dessa teknologier kräver detaljerad insikt i de elektrokemiska reaktionerna och olika faktorer som påverkar dem. Nyligen genomförda studier har visat att, förutom elektrodmaterialet, det använda lösningsmedlet, dess surhet och de använda elektrolytjonerna avgörande påverkar effektiviteten av elektrokemiska reaktioner.
Därför har den senaste tidens fokus flyttats till att studera hur de elektrokemiska gränssnitten, till exempel reaktionsmiljön vid elektroden och elektrolytgränsytan, påverkar resultatet av elektrokemiska reaktioner.
Det är extremt svårt att förstå gränsytskemin med endast experimentella metoder eftersom de är mycket tunna, bara en bråkdel av en nanometer. Beräkningsmässiga och teoretiska är därför avgörande eftersom de ger ett korrekt sätt att studera de elektrokemiska gränssnitten på atomnivå och som en funktion av tid.
Den långsiktiga metod- och teoriutvecklingen vid Institutionen för kemi vid Jyväskylä universitet (Finland) har gett en ny förståelse för kemin för elektrokemiska gränssnitt, i synnerhet elektrolytjoneffekterna.
"Våra två nya forskningsartiklar har fokuserat på elektrolytjoneffekterna i syre- och koldioxidreduktionsreaktionerna, som bestämmer effektiviteten hos bränsleceller, väteperoxidsyntes och omvandling av koldioxid till kolneutrala kemikalier och bränslen", säger Finlands Akademis forskare Marko Melander från Institutionen för kemi vid Jyväskylä universitet.
Kombinera experimentella och beräkningsresultat
Forskare vid Jyväskylä universitet har samarbetat med experimentella och beräkningsgrupper för att förstå elektrolyteffekterna. Verket har nyligen publicerats i tidskrifter, Nature Communications och Angewandte Chemie International Edition .
"I båda studierna har vi fokuserat på de grundläggande egenskaperna och forskningen, vilket har gjort det nödvändigt att använda mycket noggranna och krävande experimentella och deras kombination med de senaste simuleringsmetoderna. Till exempel kunde vi för första gången kombinera experiment och simuleringar av kvantmekaniska kinetiska isotopeffekter av väte för att förstå syrereduktionsreaktionen Vi har också utvecklat och tillämpat avancerade beräkningsmetoder för att simulera omorganiseringen av de vattenhaltiga elektrolytlösningarna för att nå detaljerad insikt om deras gemensamma effekt på reaktionsmekanismen," förklarar Melander. .
Denna forskning ger en atomistisk bild av hur elektrolyter påverkar elektrokemiska reaktioner. En identifierad mekanism är bindningsbildningen mellan en jon och den reagerande molekylen.
"Vi kunde visa att både jonerna styr strukturen och dynamiken hos både elektrodytan och gränsytvattnet genom icke-kovalenta interaktioner. Dessa ganska svaga interaktioner bestämmer sedan reaktionsvägen, hastigheten och selektiviteten, och kontrollerar därmed aktiviteten och resultatet av elektrokemiska reaktioner", förklarar Melander.
Även om denna forskning fokuserade på de grundläggande aspekterna av elektrokemiska system, kan den förbättra utvecklingen av förbättrad elektrokemisk teknologi.
"Användning av jon- och lösningsmedelseffekter kan ge ett sätt att skräddarsy reaktiviteten och selektiviteten för elektrokemiska reaktioner. Till exempel kan elektrolyten användas för att rikta syrereduktionsreaktionen antingen mot bränsleceller eller väteperoxidsyntesapplikationer. Elektrolytkemin är också en effektivt sätt att styra koldioxidminskningen mot de önskade, värdefulla produkterna, säger Melander.
Mer information: Xueping Qin et al, Katjoninducerade förändringar i de inre och yttre sfärmekanismerna för elektrokatalytisk CO2-reduktion, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43300-4
Tomoaki Kumeda et al, katjoner bestämmer mekanismen och selektiviteten för alkalisk syrereduktionsreaktion på Pt(111)**, Angewandte Chemie International Edition (2023). DOI:10.1002/anie.202312841
Journalinformation: Angewandte Chemie International Edition , Nature Communications
Tillhandahålls av University of Jyväskylä
