Première observation de la façon dont les molécules d'eau se déplacent près d'une électrode métallique
Les mouvements des molécules d'eau changent en fonction de la tension appliquée
Une équipe de physico-chimistes expérimentaux et computationnels de Corée du Sud et des États-Unis a fait une découverte importante dans le domaine de l'électrochimie, en mettant en lumière le mouvement des molécules d'eau à proximité des électrodes métalliques. Cette recherche a de profondes implications pour l'avancement des batteries de nouvelle génération utilisant des électrolytes aqueux.
Schéma représentant les molécules organiques adsorbées sur une surface d'or et les molécules d'eau à proximité de l'électrode d'or.
Institute for Basic Science
À l'échelle nanométrique, les chimistes utilisent généralement la lumière laser pour éclairer les molécules et mesurer leurs propriétés spectroscopiques pour les visualiser. Toutefois, l'étude du comportement des molécules d'eau à proximité d'électrodes métalliques s'est avérée difficile en raison de l'interférence écrasante des atomes métalliques de l'électrode elle-même. En outre, les molécules d'eau éloignées de la surface de l'électrode contribuent également à la réponse de la lumière appliquée, ce qui complique l'observation sélective des molécules à l'interface liquide-électrode métallique.
Sous la direction du professeur Martin Zanni de l'université du Wisconsin à Madison et du directeur CHO Minhaeng du Center for Molecular Spectroscopy and Dynamics au sein de l'Institute for Basic Science (IBS), les chercheurs ont relevé ce défi à l'aide de techniques spectroscopiques récemment mises au point et couplées à des simulations informatiques. Afin de minimiser l'interférence des métaux, les auteurs ont recouvert la surface de l'électrode de molécules organiques spécialement conçues. Ils ont ensuite utilisé la spectroscopie vibrationnelle bidimensionnelle femtoseconde (10-15 secondes) améliorée par la surface pour observer les changements dans le mouvement des molécules d'eau à proximité de l'électrode métallique.
En fonction de l'ampleur et de la polarité de la tension appliquée à l'électrode métallique, les chercheurs ont observé, pour la première fois, une décélération ou une accélération du mouvement des molécules d'eau à proximité de l'électrode. "Lorsqu'une tension positive est appliquée à l'électrode, le mouvement des molécules d'eau à proximité ralentit. Inversement, lorsqu'une tension négative est appliquée, le contraire est observé à la fois en spectroscopie vibrationnelle femtoseconde et dans les simulations informatiques", explique le Dr Kwac.
"Les résultats de cette étude fournissent des informations cruciales pour la compréhension des réactions électrochimiques, offrant des perspectives physiques essentielles pour la recherche et le développement de batteries à électrolyte aqueux à l'avenir", commente le directeur CHO Minhaeng du Centre de spectroscopie et de dynamique moléculaires de l'IBS, auteur correspondant de l'étude.
Ce résultat implique une relation étroite entre les réactions électrochimiques impliquant de l'eau à la surface des électrodes et la dynamique des molécules d'eau interfaciales. Il devrait non seulement faire progresser notre compréhension des processus électrochimiques fondamentaux, mais aussi ouvrir la voie à la conception de technologies de batteries plus efficaces et plus durables.
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