Метод наблюдения за расщеплением воды на уровне молекул

Появилась возможность экспериментально доказать, что на гладких поверхностях расщепление воды происходит с меньшей энергетической эффективностью, чем на поверхности с шероховатостью нанометрового диапазона

Водород рассматривается как энергоноситель будущего. Однако, до сегодняшнего дня существующие методы не могли дать полного преставления о том, как именно происходит электрохимический процесс расщепления воды в молекулярном масштабе на поверхности катализатора. Последнее исследование позволяет наглядно проводить исследования таких процессов в нанометровом масштабе. С помощью детального понимания процесса расщепления воды на поверхности золота в будущем можно было бы значительно упростить разработку энергоэффективных катализаторов.

Хорошо известный со школы эксперимент: если в воде между двумя электродами пропустить электрический ток, то это приведет к образованию водорода и кислорода. Когда этот процесс используется в промышленном масштабе важно, чтобы расщепление воды происходило как можно более эффективно. В дополнение к выбору материала электрода, качество его поверхности также имеет решающее значение. Шероховатые участки поверхности размером всего в несколько нанометров, то есть миллионные доли миллиметра, так называемые реактивные центры, придают электродам особую электрохимическую реактивность.

Предыдущие методы наблюдений не могли предоставить точные данные, чтобы полностью охарактеризовать химические реакции, протекающие в этих реакционных центрах на поверхности электрода, с достаточным пространственным разрешением в реальных условиях, то есть в растворе электролита при комнатной температуре и при наличии напряжения. Ученые разработали новый метод, с помощью которого впервые стало возможным провести исследование процесса расщепления воды на поверхности золота с пространственным разрешением менее 10 нанометров.

«Появилась возможность экспериментально доказать, что на гладких поверхностях расщепление воды происходит с меньшей энергетической эффективностью, чем на поверхности с шероховатостью нанометрового диапазона». «Полученные фотографии помогли отследить каталитическую активность реактивных центров на первых этапах расщепления воды».

Метод представляет собой сочетание нескольких технических подходов. Одной спектроскопии комбинационного рассеяния (рамановской спектроскопии) недостаточно. Отраженный молекулами световой спектр содержит информацию, своего рода химический отпечаток, позволяющий говорить о типе молекулы. Однако, рамановская спектроскопия генерирует очень слабые и, прежде всего, нечеткие сигналы.

Свои результаты ученые опубликовали в известном журнале Nature Communications [1].

По этой причине исследователи объединили рамановскую технологию со сканирующей туннельной микроскопией: сканируя золотой тонкий нанометровый наконечник лазерным светом, рамановский сигнал усиливается в десять раз за счет своего рода антенного эффекта. С одной стороны, это сужает область наблюдения всего до нескольких молекул. С другой стороны, сильный световой фокус приводит к получению пространственного разрешения менее 10 нанометров. Особенностью оборудования является то, что его можно использовать в реальных условиях.

«Было показано, что, когда происходит расщепление воды в шероховатом, то есть в реакционном центре, образуются два разных вида оксида золота, которые становятся важными промежуточными соединениями в процессе отделения атома кислорода от атомов водорода». Благодаря этому исследованию теперь стало возможным получить более точное представление о процессах, происходящих в нанометровом масштабе, на реактивных поверхностях и, таким образом, проводить более успешную разработку более эффективных электрокатализаторов будущего, для которых потребуется меньше энергии для осуществления реакций.

Ссылки:

1. https://doi.org/10.1038/s41467-019-13692-3

Источник: MPI für Polymerforschung