Investigadores del Clúster de Excelencia RESOLV en la Ruhr-Universität Bochum, su red de investigación hermana CALSOLV en Berkeley y la Universidad de Evry en París. En el sincrotrón SOLEIL, pudieron usar la espectroscopia de terahercios para observar exactamente cuándo y cómo se eliminan las capas de agua alrededor de los iones de sodio y cloruro cuando se aplican voltajes en una solución electrolítica. Describen sus resultados en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences , o PNAS, publicado en línea el 15 de noviembre de 2021.

Doble capa electroquímica entre el electrolito y la interfase sólida

Los electrolitos son compuestos químicos en los que se producen iones separados. Por ejemplo, cuando se disuelve cloruro de sodio (NaCl) en agua, los iones de sodio con carga positiva y los iones de cloruro con carga negativa se separan y pueden moverse libremente en la solución. Debido a la atracción eléctrica entre los iones y las moléculas de agua, se forma una capa de moléculas de agua alrededor de los iones individuales, la llamada capa de hidratación que es estable en la solución. Una capa de portadores de carga se forma en las inmediaciones de la capa límite eléctrica entre el electrodo y el agua. Una capa de carga positiva y una negativa están opuestas, por lo que esta capa también se denomina doble capa electroquímica. Según los libros de texto de química, cuando se aplica un voltaje sucede lo siguiente:la atracción entre el electrodo y los iones quita la capa de agua y se produce una transferencia de carga, una corriente.

Esta simple imagen explica cómo funciona una batería. En el presente trabajo, los investigadores de Bochum, Berkeley y París investigaron si también es correcto a nivel molecular. También comprobaron si el proceso es idéntico cuando se aplican alternativamente voltajes negativos o positivos.

La observación durante el proceso es difícil

La observación de procesos químicos a nivel molecular mientras se aplica un voltaje es un desafío experimental especial. Esto es exactamente lo que los científicos lograron hacer en el estudio actual con espectroscopia de terahercios, que combinaron con simulaciones. Para ello, los investigadores estudiaron la doble capa electroquímica que se forma en una solución de NaCl en las inmediaciones de una superficie de oro en el sincrotrón SOLEIL de París.

La espectroscopia de terahercios permite seguir en directo el desprendimiento de la capa de hidratación. Los investigadores también mostraron por primera vez cómo cambian las redes de agua en la superficie cargada de oro. Esto es esencial para comprender cómo cambia la energía total en el proceso. "Fue sorprendente para nosotros ver que el proceso funciona de manera diferente para cargas positivas y negativas", resume la profesora Martina Havenith, portavoz de RESOLV.

Desprendimiento asimétrico de la capa de hidratación

Los investigadores encontraron que las capas de hidratación de los iones de sodio y cloruro se comportaron de manera diferente en la doble capa electroquímica. La capa de hidratación de los iones con carga positiva ya se desprendió con pequeños voltajes aplicados y el ion de sodio fue atraído hacia el electrodo. Para los iones de cloruro cargados negativamente, esto solo sucedió a un voltaje aplicado más alto. El equipo pudo atribuir estas diferencias al comportamiento de las redes de agua en la interfaz. Los científicos confirmaron los resultados con la ayuda de complejas simulaciones por computadora.

"El método y los resultados ahora se pueden usar para investigar el papel crucial del agua en otros procesos interfaciales, por ejemplo, en las interfaces semiconductor/electrolito", dice Martina Havenith. Los resultados son importantes para comprender y optimizar los procesos electroquímicos, por ejemplo, para aplicaciones tecnológicas como las tecnologías de celdas solares o celdas de combustible.