Il modo in cui gli ioni con carica positiva e negativa si comportano all'interfaccia tra una superficie solida e una soluzione acquosa è stato studiato dai ricercatori del Cluster of Excellence RESOLV presso la Ruhr-Universität Bochum, la sua rete di ricerca gemella CALSOLV a Berkeley e l'Università di Evry a Parigi. Al sincrotrone SOLEIL, sono stati in grado di utilizzare la spettroscopia terahertz per osservare esattamente quando e come i gusci d'acqua attorno agli ioni sodio e cloruro vengono strappati via quando i voltaggi vengono applicati in una soluzione elettrolitica. Descrivono i loro risultati nella rivista Proceedings of the National Academy of Sciences , o PNAS, pubblicato online il 15 novembre 2021.

Doppio strato elettrochimico tra elettrolita e interfaccia solida

Gli elettroliti sono composti chimici in cui si verificano ioni separati. Ad esempio, quando il cloruro di sodio (NaCl) viene sciolto in acqua, gli ioni sodio caricati positivamente e gli ioni cloruro caricati negativamente si separano e possono muoversi liberamente nella soluzione. A causa dell'attrazione elettrica tra gli ioni e le molecole d'acqua, attorno ai singoli ioni si forma un guscio di molecole d'acqua, un cosiddetto guscio di idratazione che è stabile nella soluzione. Uno strato di portatori di carica si forma nelle immediate vicinanze dello strato limite elettrico tra l'elettrodo e l'acqua. Uno strato di carica positiva e uno negativo sono uno di fronte all'altro, motivo per cui questo strato è anche chiamato doppio strato elettrochimico. Secondo i libri di chimica, quando viene applicata una tensione accade quanto segue:l'attrazione tra l'elettrodo e gli ioni strappa via il guscio d'acqua e si verifica un trasferimento di carica, una corrente.

Questa semplice immagine spiega come funziona una batteria. Nel presente lavoro, i ricercatori di Bochum, Berkeley e Parigi hanno studiato se è corretto anche a livello molecolare. Hanno anche verificato se il processo è identico quando vengono applicate alternativamente tensioni negative o positive.

L'osservazione durante il processo è difficile

L'osservazione dei processi chimici a livello molecolare mentre viene applicata una tensione è una sfida sperimentale speciale. Questo è esattamente ciò che gli scienziati sono riusciti a fare nell'attuale studio con la spettroscopia terahertz, che hanno combinato con le simulazioni. A tal fine, i ricercatori hanno studiato il doppio strato elettrochimico che si forma in una soluzione di NaCl nelle immediate vicinanze di una superficie d'oro al sincrotrone SOLEIL a Parigi.

La spettroscopia Terahertz consente di seguire in diretta lo stripping del guscio di idratazione. I ricercatori hanno anche mostrato per la prima volta come cambiano le reti idriche sulla superficie dell'oro carico. Questo è essenziale per capire come cambia l'energia totale nel processo. "È stato sorprendente per noi vedere che il processo funziona in modo diverso per le cariche positive e negative", riassume la professoressa Martina Havenith, portavoce di RESOLV.

Stacco asimmetrico del guscio di idratazione

I ricercatori hanno scoperto che i gusci di idratazione degli ioni sodio e cloruro si comportavano in modo diverso nel doppio strato elettrochimico. Il guscio di idratazione degli ioni caricati positivamente era già staccato a piccole tensioni applicate e lo ione sodio era attratto dall'elettrodo. Per gli ioni cloruro caricati negativamente, ciò è avvenuto solo a una tensione applicata più elevata. Il team è stato in grado di attribuire queste differenze al comportamento delle reti idriche all'interfaccia. Gli scienziati hanno confermato i risultati con l'aiuto di complesse simulazioni al computer.

"Il metodo ei risultati possono ora essere utilizzati per studiare il ruolo cruciale dell'acqua in altri processi interfacciali, ad esempio alle interfacce semiconduttore/elettrolita", afferma Martina Havenith. I risultati sono importanti per comprendere e ottimizzare i processi elettrochimici, ad esempio per applicazioni tecnologiche come le tecnologie delle celle solari o delle celle a combustibile.