Un equipo colaborativo de químicos físicos experimentales y computacionales de Corea del Sur y Estados Unidos ha realizado un importante descubrimiento en el campo de la electroquímica, arrojando luz sobre el movimiento de las moléculas de agua cerca de electrodos metálicos.
Esta investigación tiene profundas implicaciones para el avance de las baterías de próxima generación que utilizan electrolitos acuosos.
En el ámbito de la nanoescala, los químicos suelen utilizar luz láser para iluminar moléculas y medir propiedades espectroscópicas para visualizar moléculas. Sin embargo, estudiar el comportamiento de las moléculas de agua cerca de los electrodos metálicos resultó ser un desafío debido a la abrumadora interferencia de los átomos metálicos en el propio electrodo.
Además, las moléculas de agua distantes de la superficie del electrodo también contribuyen a la respuesta de la luz aplicada, lo que complica la observación selectiva de las moléculas en la interfaz del electrodo líquido-metal.
Dirigido por el profesor Martin Zanni de la Universidad de Wisconsin en Madison y el director CHO Minhaeng del Centro de Espectroscopía y Dinámica Molecular del Instituto de Ciencias Básicas (IBS), abordó este desafío con técnicas espectroscópicas recientemente desarrolladas junto con simulaciones por computadora.
Para minimizar la interferencia de los metales, los autores cubrieron la superficie del electrodo con moléculas orgánicas especialmente diseñadas. Luego, femtosegundo mejorado en superficie (10 -15 segundo) se empleó espectroscopía vibratoria bidimensional para observar los cambios en el movimiento de las moléculas de agua cerca del electrodo metálico.
Dependiendo de la magnitud y la polaridad del voltaje aplicado en el electrodo metálico, los investigadores observaron, por primera vez, desaceleración o aceleración del movimiento de las moléculas de agua cerca del electrodo.
"Cuando se aplica un voltaje positivo al electrodo, el movimiento de las moléculas de agua cercanas se ralentiza. Por el contrario, cuando se aplica un voltaje negativo, se observa lo contrario tanto en la espectroscopia de vibración de femtosegundos como en las simulaciones por computadora", explica el Dr. Kwac. /P>
"Los resultados de este estudio proporcionan información crucial para comprender las reacciones electroquímicas, ofreciendo conocimientos físicos esenciales necesarios para la investigación y el desarrollo de baterías de electrolitos acuosos en el futuro", comenta el director CHO Minhaeng del Centro IBS de Espectroscopía y Dinámica Molecular, autor correspondiente. del estudio.
Este resultado implica una estrecha relación entre las reacciones electroquímicas que involucran agua en la superficie de los electrodos y la dinámica de las moléculas de agua interfaciales. Se espera que no sólo avance en nuestra comprensión de los procesos electroquímicos fundamentales, sino que también allane el camino para el diseño de tecnologías de baterías más eficientes y sostenibles.
Esta investigación fue publicada en las Proceedings of the National Academy of Sciences .
Más información: La dinámica del enlace de hidrógeno del agua a un electrodo funcionalizado con nitrilo se modula mediante voltaje según espectroscopia IR 2D ultrarrápida, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2023). DOI:10.1073/pnas.2314998120. doi.org/10.1073/pnas.2314998120
Información de la revista: Actas de la Academia Nacional de Ciencias
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