Erste Beobachtung, wie sich Wassermoleküle in der Nähe einer Metallelektrode bewegen

Die Bewegungen der Wassermoleküle ändern sich in Abhängigkeit von der angelegten Spannung

20.12.2023

Ein gemeinsames Team von experimentellen und rechnergestützten physikalischen Chemikern aus Südkorea und den Vereinigten Staaten hat eine wichtige Entdeckung auf dem Gebiet der Elektrochemie gemacht, die die Bewegung von Wassermolekülen in der Nähe von Metallelektroden erhellt. Diese Forschung hat weitreichende Auswirkungen auf die Entwicklung von Batterien der nächsten Generation, die wässrige Elektrolyte verwenden.

Institute for Basic Science

Schematische Darstellung der an einer Goldoberfläche adsorbierten organischen Moleküle und der Wassermoleküle in der Nähe der Goldelektrode.

Im Nanobereich verwenden Chemiker normalerweise Laserlicht, um Moleküle zu beleuchten, und messen spektroskopische Eigenschaften, um Moleküle sichtbar zu machen. Die Untersuchung des Verhaltens von Wassermolekülen in der Nähe von Metallelektroden erwies sich jedoch aufgrund der überwältigenden Interferenzen durch Metallatome in der Elektrode selbst als schwierig. Darüber hinaus tragen auch Wassermoleküle, die von der Elektrodenoberfläche entfernt sind, zur Reaktion auf das eingesetzte Licht bei, was die selektive Beobachtung von Molekülen an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Metallelektrode erschwert.

Unter der Leitung von Professor Martin Zanni von der University of Wisconsin in Madison und Direktor CHO Minhaeng vom Zentrum für Molekularspektroskopie und -dynamik des Instituts für Grundlagenforschung (IBS) wurde diese Herausforderung mit neu entwickelten spektroskopischen Techniken in Verbindung mit Computersimulationen angegangen. Um die Störungen durch die Metalle zu minimieren, beschichteten die Autoren die Oberfläche der Elektrode mit speziell entwickelten organischen Molekülen. Dann wurde die oberflächenverstärkte zweidimensionale Schwingungsspektroskopie im Femtosekundenbereich (10-15 Sekunden) eingesetzt, um die Veränderungen in der Bewegung der Wassermoleküle in der Nähe der Metallelektrode zu beobachten.

Je nach Höhe und Polarität der an der Metallelektrode angelegten Spannung beobachteten die Forscher erstmals eine Verlangsamung oder Beschleunigung der Bewegung von Wassermolekülen in der Nähe der Elektrode. "Wenn eine positive Spannung an die Elektrode angelegt wird, verlangsamt sich die Bewegung der Wassermoleküle in der Nähe. Wird dagegen eine negative Spannung angelegt, wird sowohl in der Femtosekunden-Schwingungsspektroskopie als auch in Computersimulationen das Gegenteil beobachtet", erklärt Dr. Kwac.

"Die Ergebnisse dieser Studie liefern entscheidende Informationen für das Verständnis elektrochemischer Reaktionen und bieten wesentliche physikalische Erkenntnisse, die für die Erforschung und Entwicklung von Batterien mit wässrigen Elektrolyten in der Zukunft notwendig sind", kommentiert Direktor CHO Minhaeng vom IBS Center for Molecular Spectroscopy and Dynamics, ein korrespondierender Autor der Studie.

Dieses Ergebnis impliziert eine enge Beziehung zwischen elektrochemischen Reaktionen, an denen Wasser auf der Oberfläche von Elektroden beteiligt ist, und der Dynamik von Wassermolekülen an der Grenzfläche. Es wird erwartet, dass es nicht nur unser Verständnis grundlegender elektrochemischer Prozesse verbessert, sondern auch den Weg für die Entwicklung effizienterer und nachhaltigerer Batterietechnologien ebnet.

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