Como os íons carregados positivamente e negativamente se comportam na interface entre uma superfície sólida e uma solução aquosa foi investigado por pesquisadores do Cluster of Excellence RESOLV na Ruhr-Universität Bochum, sua rede de pesquisa irmã CALSOLV em Berkeley e da Universidade de Evry em Paris. No síncrotron SOLEIL, eles foram capazes de usar a espectroscopia de terahertz para observar exatamente quando e como as camadas de água ao redor dos íons de sódio e cloreto são removidas quando as voltagens são aplicadas em uma solução eletrolítica. Eles descrevem seus resultados na revista Proceedings of the National Academy of Sciences , ou PNAS, publicado on-line em 15 de novembro de 2021.
Dupla camada eletroquímica entre eletrólito e interface sólida

Os eletrólitos são compostos químicos nos quais ocorrem íons separados. Por exemplo, quando o cloreto de sódio (NaCl) é dissolvido em água, os íons sódio carregados positivamente e os íons cloreto carregados negativamente se separam e podem se mover livremente na solução. Devido à atração elétrica entre os íons e as moléculas de água, uma concha de moléculas de água se forma ao redor dos íons individuais – uma chamada concha de hidratação que é estável na solução. Uma camada de portadores de carga se forma na vizinhança imediata da camada limite elétrica entre o eletrodo e a água. Uma camada de carga positiva e uma negativa são opostas uma à outra, razão pela qual essa camada também é chamada de camada dupla eletroquímica. De acordo com os livros de química, acontece o seguinte quando uma voltagem é aplicada:a atração entre o eletrodo e os íons descola a camada de água e ocorre uma transferência de carga, uma corrente.

Esta imagem simples explica como funciona uma bateria. No presente trabalho, os pesquisadores de Bochum, Berkeley e Paris investigaram se também está correto no nível molecular. Eles também verificaram se o processo é idêntico quando tensões negativas ou positivas são aplicadas alternadamente.

A observação durante o processo é difícil

Observar processos químicos em nível molecular enquanto uma voltagem é aplicada é um desafio experimental especial. Isso é exatamente o que os cientistas conseguiram fazer no estudo atual com espectroscopia de terahertz, que eles combinaram com simulações. Para isso, os pesquisadores investigaram a dupla camada eletroquímica que se forma em uma solução de NaCl nas imediações de uma superfície de ouro no síncrotron SOLEIL em Paris.

A espectroscopia de Terahertz permite acompanhar ao vivo o descascamento da casca de hidratação. Os pesquisadores também mostraram pela primeira vez como as redes de água na superfície de ouro carregada mudam. Isso é essencial para entender como a energia total muda no processo. "Foi surpreendente para nós ver que o processo funciona de forma diferente para cargas positivas e negativas", resume a professora Martina Havenith, porta-voz da RESOLV.

Descolamento assimétrico da concha de hidratação

Os pesquisadores descobriram que as camadas de hidratação de íons de sódio e cloreto se comportavam de maneira diferente na dupla camada eletroquímica. A camada de hidratação dos íons carregados positivamente já se desprendeu em pequenas voltagens aplicadas e o íon sódio foi atraído para o eletrodo. Para os íons cloreto carregados negativamente, isso só aconteceu em uma tensão aplicada mais alta. A equipe conseguiu atribuir essas diferenças ao comportamento das redes de água na interface. Os cientistas confirmaram os resultados com a ajuda de complexas simulações de computador.

"O método e os resultados agora podem ser usados ​​para investigar o papel crucial da água em outros processos interfaciais, por exemplo, em interfaces semicondutores/eletrólitos", diz Martina Havenith. Os resultados são importantes para entender e otimizar processos eletroquímicos, por exemplo, para aplicações tecnológicas como células solares ou tecnologias de células de combustível.