Badanie struktury molekularnej podwójnej warstwy elektrycznej
Podwójna warstwa elektryczna – struktura, która pojawia się na powierzchni materiału, gdy jest on wystawiony na działanie cieczy – odgrywa ważną rolę w procesach elektrochemicznych zachodzących na granicach faz, takich jak elektrokataliza, magazynowanie energii i korozja. Aby zrozumieć i kontrolować takie procesy, naukowcy muszą dowiedzieć się więcej o strukturze molekularnej granic faz między ciałami stałymi a cieczami. Dążąc do lepszego poznania granic faz ciało stałe-ciecz na poziomie molekularnym, naukowcy korzystający z dofinansowania w ramach unijnych projektów HMST-PC, AMPERE i MITICAT badali granice faz nanocząstek platyny i złota z wodą przy użyciu elektrochemii nanouderzeniowej. Wyniki badań ukazały się w czasopiśmie „Angewandte Chemie International Edition”.
Wykorzystanie elektrochemii nanouderzeniowej
Elektrochemia nanouderzeniowa jest nowym efektywnym narzędziem, które umożliwia naukowcom pozyskiwanie informacji fizyko-chemicznych o wpływie strukturalnym na potencjał nanomateriałów w zakresie podwójnej warstwy elektrycznej, bez artefaktów wynikających z porowatości warstw lub dodatków. Z pojemnością podwójnej warstwy elektrycznej mamy do czynienia, gdy elektroda i ciekły roztwór stykają się, powodując powstanie dwóch warstw ładunków elektrycznych o przeciwnych polaryzacjach i umożliwiając magazynowanie w nich energii elektrycznej. Nowe narzędzie otwiera drogę do nowych metod charakterystyki nanocząstek koloidalnych. Dzięki wysokiemu stosunkowi powierzchni do objętości, nanocząstki dobrze nadają się do wielu zastosowań. Jednak w skali nanocząstkowej trudno określić jednoznaczną charakterystykę pojemności podwójnej warstwy elektrycznej. Jak donoszą autorzy badania, nanocząstki „trzeba przetworzyć w kompletne elektrody do konwencjonalnych pomiarów elektrochemicznych, często łącznie z dodatkami, co powoduje efekty zespołów i skutkuje niepewnościami co do powierzchni czynnej elektrochemicznie”. Problem ten można rozwiązać przy pomocy elektrochemii nanouderzeniowej. „Aby zbadać pojemność elektryczną i procesy reorganizacji w podwójnej warstwie elektrycznej na nanocząstkach platyny i złota, konieczne było opracowanie metody pozwalającej zmierzyć precyzyjne prądy wyładowania na pojedynczych nanocząstkach w roztworze”, mówi starsza autorka badania prof. dr Kristina Tschulik pracująca dla gospodarza projektu MITICAT, niemieckiej uczelni Ruhr Universität Bochum, cytowana w komunikacie prasowym opublikowanym w serwisie „EurekAlert!”. W swoich badaniach zespół wykorzystał koloidalne dyspersje nanocząstek, w których pojedyncze cząstki drobno rozproszone w roztworze wodnym losowo zderzały się z ultramikroelektrodą. Za pomocą wspomaganych komputerowo symulacji dynamiki molekularnej zespół był w stanie znaleźć podobieństwa i różnice w mierzonych prądach pojemnościowych zależnych od napięcia dla różnych typów dyspersji nanocząstek. Obliczenia wykazały, że silne oddziaływanie metalu z cząsteczkami wody prowadzi do chemisorpcji wody i niespodziewanie dużej akumulacji jonów, co skutkuje wyższą zdolnością magazynowania ładunku na granicy faz. „Ustaliliśmy, że zdolność do przechowywania ładunków w warstwie podwójnej wzrasta o około jeden rząd wielkości w odniesieniu do przewidywań opartych na tradycyjnych modelach średniego pola”, piszą autorzy badania. „Naszym zdaniem duża pojemność elektryczna zmierzona dla powierzchni platyny i złota wynikała z silnych oddziaływań pomiędzy powierzchnią metalu a warstwą wody. Sprzyjają one chemisorpcji wody i akumulacji jonów na granicy faz. Niższa wartość pojemności elektrycznej zmierzona dla złota wynika najpewniej ze słabszego wiązania warstwy wodnej przez powierzchnie ze złota niż z platyny”. Wiedza zdobyta dzięki projektom HMST-PC (Synthesis of Hybrid Metal-Semiconductor Tetrapod Photocatalysts for Improved Water Splitting), AMPERE (Accounting for Metallicity, Polarization of the Electrolyte, and Redox reactions in computational Electrochemistry) i MITICAT (Microfluidic Tuning of Individual Nanoparticles to Understand and Improve Electrocatalysis) może umożliwić aktywne dostrajanie oddziaływań w warstwie wody między ciałami stałymi i rozpuszczalnikami oraz między rozpuszczalnikami. To z kolei może przyczynić się do opracowania skuteczniejszych i bardziej zrównoważonych technik przetwarzania i magazynowania energii. Więcej informacji: projekt HMST-PC strona projektu AMPERE projekt MITICAT
Słowa kluczowe
HMST-PC, AMPERE, MITICAT, nanocząstka, podwójna warstwa elektryczna, warstwa wody, złoto, platyna, pojemność elektryczna
