Primeira observação de como as moléculas de água se movem perto de um eletrodo de metal
Um instantâneo tirado do modelo de simulação computacional do sistema neste estudo. Em ambos os lados estão três camadas de átomos de ouro representando o eletrodo metálico com moléculas orgânicas adsorvidas no eletrodo esquerdo. O espaço entre os eletrodos é preenchido com moléculas de água. Crédito:Instituto de Ciências Básicas Uma equipe colaborativa de físicos-químicos experimentais e computacionais da Coreia do Sul e dos Estados Unidos fez uma importante descoberta no campo da eletroquímica, lançando luz sobre o movimento das moléculas de água perto de eletrodos metálicos.
Esta pesquisa tem implicações profundas para o avanço das baterias de próxima geração que utilizam eletrólitos aquosos.
No domínio da nanoescala, os químicos normalmente utilizam luz laser para iluminar moléculas e medir propriedades espectroscópicas para visualizar moléculas. No entanto, estudar o comportamento das moléculas de água perto de eletrodos metálicos revelou-se um desafio devido à interferência esmagadora dos átomos metálicos no próprio eletrodo.
Além disso, moléculas de água distantes da superfície do eletrodo também contribuem para a resposta da luz aplicada, complicando a observação seletiva de moléculas na interface eletrodo de metal líquido.
Liderado pelo professor Martin Zanni da Universidade de Wisconsin em Madison e pelo diretor CHO Minhaeng do Centro de Espectroscopia e Dinâmica Molecular do Instituto de Ciências Básicas (IBS), abordou esse desafio com técnicas espectroscópicas recentemente desenvolvidas, juntamente com simulações de computador.
Para minimizar a interferência dos metais, os autores revestiram a superfície do eletrodo com moléculas orgânicas especialmente projetadas. Em seguida, femtosegundo com superfície aprimorada (10
-15
segundo) espectroscopia vibracional bidimensional foi empregada para observar as mudanças no movimento das moléculas de água próximas ao eletrodo metálico. Figura representando a interação de ligações de hidrogênio entre moléculas de água e uma molécula orgânica adsorvida. Crédito:Instituto de Ciências Básicas Dependendo da magnitude e da polaridade da tensão aplicada ao eletrodo metálico, os pesquisadores observaram, pela primeira vez, desaceleração ou aceleração do movimento das moléculas de água próximas ao eletrodo.
"Quando uma voltagem positiva é aplicada ao eletrodo, o movimento das moléculas de água próximas fica mais lento. Por outro lado, quando uma voltagem negativa é aplicada, o oposto é observado tanto na espectroscopia vibracional de femtossegundos quanto em simulações de computador", explica o Dr.
"Os resultados deste estudo fornecem informações cruciais para a compreensão das reações eletroquímicas, oferecendo insights físicos essenciais necessários para a pesquisa e desenvolvimento de baterias eletrolíticas aquosas no futuro", comenta o diretor CHO Minhaeng do Centro IBS de Espectroscopia e Dinâmica Molecular, autor correspondente. do estudo. Figura esquemática representando as moléculas orgânicas adsorvidas em uma superfície de ouro e as moléculas de água próximas ao eletrodo de ouro. Crédito:Instituto de Ciências Básicas Este resultado implica uma estreita relação entre as reações eletroquímicas envolvendo água na superfície dos eletrodos e a dinâmica das moléculas de água interfaciais. Espera-se que não apenas avance na nossa compreensão dos processos eletroquímicos fundamentais, mas também abra caminho para o projeto de tecnologias de baterias mais eficientes e sustentáveis.
Esta pesquisa foi publicada no Proceedings of the National Academy of Sciences .
Mais informações: A dinâmica da ligação de hidrogênio da água a um eletrodo funcionalizado com nitrila é modulada por voltagem de acordo com a espectroscopia IR 2D ultrarrápida, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI:10.1073/pnas.2314998120. doi.org/10.1073/pnas.2314998120 Informações do diário: Anais da Academia Nacional de Ciências
