Un team collaborativo di chimici fisici sperimentali e computazionali provenienti dalla Corea del Sud e dagli Stati Uniti ha fatto un'importante scoperta nel campo dell'elettrochimica, facendo luce sul movimento delle molecole d'acqua vicino agli elettrodi metallici.
Questa ricerca ha profonde implicazioni per lo sviluppo delle batterie di prossima generazione che utilizzano elettroliti acquosi.
Nel regno della nanoscala, i chimici utilizzano tipicamente la luce laser per illuminare le molecole e misurare le proprietà spettroscopiche per visualizzare le molecole. Tuttavia, lo studio del comportamento delle molecole d'acqua vicino agli elettrodi metallici si è rivelato impegnativo a causa della schiacciante interferenza degli atomi metallici nell'elettrodo stesso.
Inoltre, anche le molecole d'acqua distanti dalla superficie dell'elettrodo contribuiscono alla risposta della luce applicata, complicando l'osservazione selettiva delle molecole all'interfaccia dell'elettrodo liquido-metallo.
Guidati dal professor Martin Zanni dell'Università del Wisconsin a Madison e dal direttore CHO Minhaeng del Centro di spettroscopia e dinamica molecolare dell'Istituto per le scienze di base (IBS), hanno affrontato questa sfida con tecniche spettroscopiche di nuova concezione abbinate a simulazioni al computer.
Per ridurre al minimo l'interferenza dei metalli, gli autori hanno rivestito la superficie dell'elettrodo con molecole organiche appositamente progettate. Quindi, femtosecondo con miglioramento della superficie (10 -15 in secondo luogo) è stata impiegata la spettroscopia vibrazionale bidimensionale per osservare i cambiamenti nel movimento delle molecole d'acqua vicino all'elettrodo metallico.
A seconda dell'entità e della polarità della tensione applicata sull'elettrodo metallico, i ricercatori hanno osservato, per la prima volta, la decelerazione o l'accelerazione del movimento delle molecole d'acqua vicino all'elettrodo.
"Quando viene applicata una tensione positiva all'elettrodo, il movimento delle molecole d'acqua vicine viene rallentato. Al contrario, quando viene applicata una tensione negativa, sia nella spettroscopia vibrazionale a femtosecondi che nelle simulazioni al computer si osserva il contrario", spiega il Dr. Kwac.
"I risultati di questo studio forniscono informazioni cruciali per comprendere le reazioni elettrochimiche, offrendo intuizioni fisiche essenziali necessarie per la ricerca e lo sviluppo di batterie elettrolitiche acquose in futuro", commenta il direttore CHO Minhaeng del Centro IBS per la spettroscopia e la dinamica molecolare, un autore corrispondente. dello studio.
Questo risultato implica una stretta relazione tra le reazioni elettrochimiche che coinvolgono l'acqua sulla superficie degli elettrodi e la dinamica delle molecole d'acqua interfacciali. Si prevede non solo di migliorare la nostra comprensione dei processi elettrochimici fondamentali, ma anche di aprire la strada alla progettazione di tecnologie per batterie più efficienti e sostenibili.
Questa ricerca è stata pubblicata negli Proceedings of the National Academy of Sciences .
Ulteriori informazioni: La dinamica del legame idrogeno dell'acqua con un elettrodo funzionalizzato in nitrile è modulata dalla tensione secondo la spettroscopia IR 2D ultraveloce, Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze (2023). DOI:10.1073/pnas.2314998120. doi.org/10.1073/pnas.2314998120
Informazioni sul giornale: Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze
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