Primera observación del movimiento de las moléculas de agua cerca de un electrodo metálico
Los movimientos de las moléculas de agua cambian en función de la tensión aplicada
Un equipo de químicos físicos experimentales y computacionales de Corea del Sur y Estados Unidos ha realizado un importante descubrimiento en el campo de la electroquímica, al arrojar luz sobre el movimiento de las moléculas de agua cerca de electrodos metálicos. Esta investigación tiene profundas implicaciones para el avance de la próxima generación de baterías que utilizan electrolitos acuosos.
Figura esquemática que representa las moléculas orgánicas adsorbidas en una superficie de oro y las moléculas de agua cerca del electrodo de oro.
Institute for Basic Science
En el ámbito de la nanoescala, los químicos suelen utilizar luz láser para iluminar las moléculas y medir sus propiedades espectroscópicas para visualizarlas. Sin embargo, estudiar el comportamiento de las moléculas de agua cerca de electrodos metálicos ha resultado un reto debido a la abrumadora interferencia de los átomos metálicos del propio electrodo. Además, las moléculas de agua alejadas 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 líquido-electrodo metálico.
Dirigidos por el profesor Martin Zanni, de la Universidad de Wisconsin en Madison, y el director CHO Minhaeng, del Centro de Espectroscopia y Dinámica Molecular del Instituto de Ciencias Básicas (IBS), abordaron este reto con técnicas espectroscópicas de nuevo desarrollo acopladas a simulaciones por ordenador. Para minimizar las interferencias de los metales, los autores recubrieron la superficie del electrodo con moléculas orgánicas especialmente diseñadas. A continuación, se empleó espectroscopia vibracional bidimensional de femtosegundos (10-15 segundos) mejorada en superficie para observar los cambios en el movimiento de las moléculas de agua cerca del electrodo metálico.
Dependiendo de la magnitud y la polaridad de la tensión aplicada al electrodo metálico, los investigadores observaron, por primera vez, una desaceleración o una 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 vibracional de femtosegundos como en las simulaciones por ordenador", explica el Dr. Kwac.
"Los resultados de este estudio aportan 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 de Espectroscopia y Dinámica Molecular del IBS, autor correspondiente del estudio.
Este resultado implica una estrecha relación entre las reacciones electroquímicas en las que interviene el agua en la superficie de los electrodos y la dinámica de las moléculas de agua interfacial. Se espera que no sólo sirva para avanzar 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.
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