Det är ett välkänt skolexperiment:Att lägga på en spänning mellan två elektroder som är insatta i vatten producerar molekylärt väte och syre. Forskare försöker göra vattenklyvning så energieffektiv som möjligt för att främja industriella tillämpningar. Elektrodens material och dess ytkvalitet är avgörande aspekter som bestämmer klyvningseffektiviteten. Särskilt, grova fläckar på bara några nanometer stora, kallas reaktiva centra, bestämma den elektrokemiska reaktiviteten hos en elektrod.

Tidigare undersökningsmetoder var inte tillräckligt noggranna för att följa kemiska reaktioner som äger rum vid sådana reaktiva centra på elektrodytan med tillräcklig rumslig upplösning under verkliga driftsförhållanden, dvs. i elektrolytlösning vid rumstemperatur och med pålagd spänning. Ett team av forskare under ledning av Dr Katrin Domke vid MPI-P har nu utvecklat en metod med vilken de första stegen av elektrokatalytisk vattendelning på en guldyta kan studeras för första gången med en rumslig upplösning på mindre än 10 nm under driftsförhållanden.

"Vi kunde experimentellt visa att ytor med utsprång i nanometerområdet delar vatten på ett mer energieffektivt sätt än plana ytor, " säger Katrin Domke. "Med våra bilder, vi kan följa den katalytiska aktiviteten hos de reaktiva centran under de första stegen av vattendelning."

Forskarna kombinerade olika tekniker:I Ramanspektroskopi, molekyler belyses med ljus som de sprider. Det spridda ljusspektrumet innehåller information som ger ett kemiskt fingeravtryck av molekylen, möjliggör identifiering av kemiska arter. Dock, Ramanspektroskopi producerar vanligtvis bara mycket svaga och rumsligt medelvärde signaler över hundratals eller tusentals nanometer.

Av denna anledning, forskarna kombinerade Raman-tekniken med scannande tunnelmikroskopi. Genom att skanna en nanometertunn guldspets upplyst med laserljus över ytan som undersöks, Raman-signalen förstärks med många storleksordningar direkt vid spetsens spets, som fungerar som en antenn. Denna starka förbättringseffekt möjliggör undersökning av isolerade molekyler. Vidare, den snäva fokuseringen av ljuset vid spetsen leder till en rumslig optisk upplösning på mindre än tio nanometer. I synnerhet, Apparaten kan drivas under realistiska elektrokatalytiska driftsförhållanden.

"Vi kunde visa att under vattenklyvning vid nanometer grova fläckar - dvs. reaktiva centra - två olika guldoxider bildas som kan representera viktiga mellanprodukter i separationen av syreatomen från väteatomerna, " säger Domke. Forskarna har fått mer exakta insikter i de processer som äger rum på nanometerskalan på reaktiva ytor, vilket skulle kunna underlätta utformningen av effektivare elektrokatalysatorer i framtiden som kräver mindre energi för att dela vatten till väte och syre.

Forskarna har publicerat sina resultat i tidskriften Naturkommunikation .