波鴻魯爾大學(xué)RESOLV卓越集群、伯克利的姊妹研究網(wǎng)絡(luò) CALSOLV 和埃弗里大學(xué)的研究人員研究了帶正電荷和帶負(fù)電荷的離子在固體表面和水溶液之間的界面上的行為。巴黎。在 SOLEIL 同步加速器中，他們能夠使用太赫茲光譜準(zhǔn)確觀察當(dāng)在電解質(zhì)溶液中施加電壓時(shí)鈉離子和氯離子周圍的水殼何時(shí)以及如何剝離。他們?cè)?2021 年 11 月 15 日在線出版的美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊 (PNAS) 上描述了他們的結(jié)果。
電解質(zhì)與固體界面之間的電化學(xué)雙層
電解質(zhì)是其中出現(xiàn)單獨(dú)離子的化合物。例如，當(dāng)氯化鈉 (NaCl) 溶解在水中時(shí)，帶正電荷的鈉離子和帶負(fù)電荷的氯離子會(huì)分離并在溶液中自由移動(dòng)。由于離子和水分子之間的電吸引力，在單個(gè)離子周圍形成水分子殼——所謂的水合殼，在溶液中是穩(wěn)定的。在電極和水之間的電邊界層附近形成了一層電荷載流子。正負(fù)電荷層彼此相對(duì)，這就是該層也稱為電化學(xué)雙層的原因。根據(jù)化學(xué)教科書(shū)，施加電壓時(shí)會(huì)發(fā)生以下情況：
這張簡(jiǎn)單的圖片解釋了電池的工作原理。在目前的工作中，來(lái)自波鴻、伯克利和巴黎的研究人員在分子水平上研究了它是否也正確。他們還檢查了交替施加負(fù)電壓或正電壓時(shí)該過(guò)程是否相同。
過(guò)程中觀察困難
在施加電壓的同時(shí)觀察分子水平的化學(xué)過(guò)程是一項(xiàng)特殊的實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)。這正是科學(xué)家們?cè)谀壳暗奶掌澒庾V研究中成功完成的，他們將其與模擬相結(jié)合。為此，研究人員研究了在巴黎 SOLEIL 同步加速器的金表面附近的 NaCl 溶液中形成的電化學(xué)雙層。
太赫茲光譜可以實(shí)時(shí)跟蹤水化殼的剝離。研究人員還首次展示了帶電金表面的水網(wǎng)絡(luò)是如何變化的。這對(duì)于了解過(guò)程中總能量如何變化至關(guān)重要。RESOLV 的發(fā)言人 Martina Havenith 教授總結(jié)道：“對(duì)于正電荷和負(fù)電荷，這個(gè)過(guò)程的運(yùn)行方式不同，這讓我們感到驚訝。”
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