В наноразмерной области химики обычно используют лазерное излучение для освещения молекул и измеряют спектроскопические свойства для визуализации молекул. Однако изучение поведения молекул воды вблизи металлических электродов оказалось сложной задачей из-за сильных помех, создаваемых атомами металла в самом электроде. Кроме того, молекулы воды, удаленные от поверхности электрода, также вносят свой вклад в реакцию на приложенный свет, что усложняет селективное наблюдение за молекулами на границе раздела жидкость-металл-электрод.

Под руководством профессора Мартина Занни из Висконсинского университета в Мэдисоне и директора Чо Минхаенга из Центра молекулярной спектроскопии и динамики при Институте фундаментальных наук (IBS) эта проблема была решена с помощью новых разработанных спектроскопических методов в сочетании с компьютерным моделированием. Чтобы свести к минимуму помехи от металлов, авторы покрыли поверхность электрода специально разработанными органическими молекулами. Затем с помощью фемтосекундной (10-15 секунд) двумерной колебательной спектроскопии с поверхностным усилением наблюдали за изменениями в движении молекул воды вблизи металлического электрода.

В зависимости от величины и полярности напряжения, приложенного к металлическому электроду, исследователи впервые наблюдали либо замедление, либо ускорение движения молекул воды вблизи электрода.

Когда к электроду прикладывается положительное напряжение, движение близлежащих молекул воды замедляется. И наоборот, при подаче отрицательного напряжения наблюдается обратная картина как в фемтосекундной колебательной спектроскопии, так и в компьютерном моделировании, — объясняет доктор Квак.

«Результаты этого исследования предоставляют важнейшую информацию для понимания электрохимических реакций, предлагая важные физические идеи, необходимые для исследования и разработки батарей с водным электролитом в будущем, — комментирует директор Чо Минхаенг из Центра молекулярной спектроскопии и динамики IBS, автор-корреспондент исследования.

Этот результат предполагает тесную связь между электрохимическими реакциями с участием воды на поверхности электродов и динамикой межфазных молекул воды. Ожидается, что это не только улучшит наше понимание фундаментальных электрохимических процессов, но и проложит путь к разработке более эффективных и устойчивых технологий производства батарей.

Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) 18 декабря 2023 года.