È un noto esperimento scolastico:l'applicazione di una tensione tra due elettrodi inseriti nell'acqua produce idrogeno molecolare e ossigeno. I ricercatori cercano di rendere la scissione dell'acqua il più efficiente possibile dal punto di vista energetico per far progredire le applicazioni industriali. Il materiale dell'elettrodo e la sua qualità superficiale sono aspetti cruciali che determinano l'efficienza di scissione. In particolare, macchie ruvide di pochi nanometri di dimensione, chiamati centri reattivi, determinare la reattività elettrochimica di un elettrodo.

I metodi di indagine precedenti non erano sufficientemente accurati per seguire le reazioni chimiche che si verificano in tali centri reattivi sulla superficie dell'elettrodo con una risoluzione spaziale sufficiente in condizioni operative reali, cioè., in soluzione elettrolitica a temperatura ambiente e con una tensione applicata. Un team di scienziati guidati dalla dott.ssa Katrin Domke presso l'MPI-P ha ora sviluppato un metodo con il quale è possibile studiare per la prima volta le fasi iniziali della scissione elettrocatalitica dell'acqua su una superficie d'oro con una risoluzione spaziale inferiore a 10 nm sotto condizioni operative.

"Siamo stati in grado di dimostrare sperimentalmente che le superfici con sporgenze nell'ordine dei nanometri dividono l'acqua in un modo più efficiente dal punto di vista energetico rispetto alle superfici piane, " dice Katrin Domke. "Con le nostre immagini, possiamo seguire l'attività catalitica dei centri reattivi durante le fasi iniziali della scissione dell'acqua."

I ricercatori hanno combinato diverse tecniche:nella spettroscopia Raman, le molecole sono illuminate dalla luce che disperdono. Lo spettro di luce diffusa contiene informazioni che forniscono un'impronta digitale chimica della molecola, consentire l'identificazione di specie chimiche. Però, La spettroscopia Raman produce tipicamente solo segnali molto deboli e mediati nello spazio su centinaia o migliaia di nanometri.

Per questa ragione, i ricercatori hanno combinato la tecnica Raman con la microscopia a scansione di tunnel. Scansionando una punta d'oro sottile nanometrica illuminata con luce laser sulla superficie in esame, il segnale Raman è amplificato di molti ordini di grandezza direttamente all'apice della punta, che si comporta come un'antenna. Questo forte effetto di potenziamento consente lo studio di molecole isolate. Per di più, la stretta focalizzazione della luce dalla punta porta ad una risoluzione ottica spaziale inferiore a dieci nanometri. In particolare, l'apparato può funzionare in condizioni operative elettrocatalitiche realistiche.

"Siamo stati in grado di dimostrare che durante la scissione dell'acqua in punti ruvidi nanometrici, ad es. centri reattivi:si formano due diversi ossidi d'oro che potrebbero rappresentare importanti intermedi nella separazione dell'atomo di ossigeno dagli atomi di idrogeno, " afferma Domke. I ricercatori hanno acquisito informazioni più precise sui processi che si svolgono su scala nanometrica sulle superfici reattive, che potrebbe facilitare la progettazione di elettrocatalizzatori più efficienti in futuro che richiedono meno energia per dividere l'acqua in idrogeno e ossigeno.

Gli scienziati hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Comunicazioni sulla natura .