24.11.2021 - Ruhr-Universität Bochum

Cómo se comportan los iones con carga positiva y negativa en las interfaces

Cuando las partículas cargadas entran en la capa límite entre un líquido y un electrodo, primero tienen que despojarse de sus capas de agua

El comportamiento de los iones con carga positiva y negativa en la interfaz entre una superficie sólida y una solución acuosa ha sido investigado por investigadores del Cluster de Excelencia RESOLV de la Ruhr-Universität Bochum, su red de investigación hermana CALSOLV en Berkeley, y la Universidad de Evry en París. En el sincrotrón SOLEIL, pudieron utilizar la espectroscopia de terahercios para observar exactamente cuándo y cómo se desprenden las capas de agua que rodean a los iones de sodio y cloruro cuando se aplican voltajes en una solución electrolítica.

Doble capa electroquímica entre el electrolito y la interfaz sólida

Los electrolitos son compuestos químicos en los que se encuentran iones separados. Por ejemplo, cuando el cloruro de sodio (NaCl) se disuelve 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 cáscara de moléculas de agua alrededor de los iones individuales - una llamada cáscara de hidratación que es estable en la solución. En las inmediaciones de la capa límite eléctrica entre el electrodo y el agua se forma una capa de portadores de carga. Hay una capa de carga positiva y otra negativa opuestas, por lo que esta capa también se denomina doble capa electroquímica. Según los libros de texto de química, cuando se aplica una tensión ocurre lo siguiente: la atracción entre el electrodo y los iones desprende la capa de agua y se produce una transferencia de carga, una corriente.

Esta sencilla imagen explica el funcionamiento de una pila. En el presente trabajo, los investigadores de Bochum, Berkeley y París investigaron si también es correcta a nivel molecular. También comprobaron si el proceso es idéntico cuando se aplican alternativamente tensiones negativas o positivas.

La observación durante el proceso es difícil

Observar los procesos químicos a nivel molecular mientras se aplica un voltaje es un reto 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 investigaron 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 de oro cargada. Esto es esencial para entender cómo cambia la energía total en el proceso. "Nos sorprendió ver que el proceso se desarrolla de forma diferente para las cargas positivas y negativas", resume la profesora Martina Havenith, portavoz de RESOLV.

Desprendimiento asimétrico de la cáscara de hidratación

Los investigadores descubrieron que los caparazones de hidratación de los iones de sodio y cloruro se comportaban de forma diferente en la doble capa electroquímica. La cáscara de hidratación de los iones con carga positiva se desprendía ya a pequeños voltajes aplicados y el ion sodio era atraído por el electrodo. En el caso de los iones de cloruro con carga negativa, esto sólo ocurría 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 ordenador.

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

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