波鴻魯爾大學RESOLV卓越集群、伯克利的姊妹研究網絡 CALSOLV 和埃弗里大學的研究人員研究了帶正電荷和帶負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確觀察當在電解質溶液中施加電壓時鈉離子和氯離子周圍的水殼何時以及如何剝離。他們在 2021 年 11 月 15 日在線出版的美國國家科學院院刊 (PNAS) 上描述了他們的結果。
電解質與固體界面之間的電化學雙層
電解質是其中出現單獨離子的化合物。例如，當氯化鈉 (NaCl) 溶解在水中時，帶正電荷的鈉離子和帶負電荷的氯離子會分離并在溶液中自由移動。由于離子和水分子之間的電吸引力，在單個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。正負電荷層彼此相對，這就是該層也稱為電化學雙層的原因。根據化學教科書，施加電壓時會發(fā)生以下情況：
這張簡單的圖片解釋了電池的工作原理。在目前的工作中，來自波鴻、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電壓或正電壓時該過程是否相同。
過程中觀察困難
在施加電壓的同時觀察分子水平的化學過程是一項特殊的實驗挑戰(zhàn)。這正是科學家們在目前的太赫茲光譜研究中成功完成的，他們將其與模擬相結合。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雙層。
太赫茲光譜可以實時跟蹤水化殼的剝離。研究人員還首次展示了帶電金表面的水網絡是如何變化的。這對于了解過程中總能量如何變化至關重要。RESOLV 的發(fā)言人 Martina Havenith 教授總結道：“對于正電荷和負電荷，這個過程的運行方式不同，這讓我們感到驚訝。”
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