Ett samarbetsteam av experimentella och beräkningsfysikaliska kemister från Sydkorea och USA har gjort en viktig upptäckt inom området elektrokemi och belyser rörelsen av vattenmolekyler nära metallelektroder.
Denna forskning har djupgående konsekvenser för att utveckla nästa generations batterier som använder vattenhaltiga elektrolyter.
I nanoskalaområdet använder kemister vanligtvis laserljus för att belysa molekyler och mäta spektroskopiska egenskaper för att visualisera molekyler. Att studera beteendet hos vattenmolekyler nära metallelektroder visade sig dock vara utmanande på grund av den överväldigande interferensen från metallatomer i själva elektroden.
Dessutom bidrar vattenmolekyler på avstånd från elektrodytan till responsen från det applicerade ljuset, vilket komplicerar den selektiva observationen av molekyler vid gränsytan mellan vätske-metallelektroder.
Ledda av professor Martin Zanni från University of Wisconsin i Madison och direktör CHO Minhaeng från Center for Molecular Spectroscopy and Dynamics inom Institute for Basic Science (IBS) tog sig an denna utmaning med nyutvecklade spektroskopiska tekniker i kombination med datorsimuleringar.
För att minimera störningarna från metallerna belade författarna ytan på elektroden med specialdesignade organiska molekyler. Därefter ytförstärkt femtosekund (10 -15 andra) tvådimensionell vibrationsspektroskopi användes för att observera förändringarna i rörelsen av vattenmolekyler nära metallelektroden.
Beroende på storleken och polariteten hos den pålagda spänningen på metallelektroden, observerade forskarna, för första gången, antingen retardation eller acceleration av rörelsen hos vattenmolekyler nära elektroden.
"När en positiv spänning appliceras på elektroden saktar rörelsen av närliggande vattenmolekyler ner. Omvänt, när en negativ spänning appliceras, observeras motsatsen både i femtosekundsvibrationsspektroskopi och i datorsimuleringar", förklarar Dr. Kwac.
"Resultaten av denna studie ger avgörande information för att förstå elektrokemiska reaktioner, och erbjuder väsentliga fysiska insikter som är nödvändiga för forskning och utveckling av vattenhaltiga elektrolytbatterier i framtiden", kommenterar chef CHO Minhaeng vid IBS Center for Molecular Spectroscopy and Dynamics, en motsvarande författare. av studien.
Detta resultat innebär ett nära samband mellan elektrokemiska reaktioner som involverar vatten på ytan av elektroder och dynamiken hos gränssnittsvattenmolekyler. Det förväntas inte bara förbättra vår förståelse av grundläggande elektrokemiska processer utan också bana väg för utformningen av mer effektiv och hållbar batteriteknologi.
Denna forskning publicerades i Proceedings of the National Academy of Sciences .
Mer information: Vätebindningsdynamiken hos vatten till en nitrilfunktionaliserad elektrod moduleras av spänning enligt ultrasnabb 2D IR-spektroskopi, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI:10.1073/pnas.2314998120. doi.org/10.1073/pnas.2314998120
Journalinformation: Proceedings of the National Academy of Sciences
Tillhandahålls av Institute for Basic Science
