Это хорошо известный школьный эксперимент: когда между двумя электродами, вставленными в воду, подается напряжение, образуются молекулярный водород и кислород. Для дальнейшего промышленного использования этого процесса необходимо сделать разделение воды как можно более энергоэффективным.
Помимо материала электрода, решающее значение для эффективности расщепления играет качество его поверхности. В частности, шероховатости всего в несколько нанометров – i.е. миллионные доли миллиметра – в размере, которые называются реактивными центрами, определяют электрохимическую реактивность электрода.
Предыдущие методы исследования не были достаточно точными, чтобы проследить химические реакции, происходящие в таких реактивных центрах на поверхности электрода, с достаточным пространственным разрешением в реальных условиях эксплуатации, т. Е.е. в растворе электролита при комнатной температуре и под напряжением.
Команда ученых во главе с доктором. Катрин Домке, независимый руководитель группы Boehringer Ingelheim "Плюс 3" в MPI-P, теперь разработала новый метод, с помощью которого можно было бы впервые изучить начальные этапы электрокаталитического расщепления воды на поверхности золота с пространственным разрешением менее 10 нм в рабочих условиях.
«Мы смогли экспериментально показать, что поверхности с выступами в нанометровом диапазоне расщепляют воду более энергоэффективно, чем плоские поверхности», – говорит Катрин Домке. «С помощью наших изображений мы можем проследить каталитическую активность реактивных центров на начальных этапах расщепления воды."
Для своего метода они объединили разные методы: в рамановской спектроскопии молекулы освещаются светом, который они рассеивают.
Спектр рассеянного света содержит информацию, которая дает химический отпечаток молекулы, что позволяет идентифицировать химические соединения. Однако рамановская спектроскопия обычно представляет собой метод, который дает только очень слабые и, более того, только пространственно усредненные сигналы на протяжении сотен или тысяч нанометров.
По этой причине исследователи объединили технику комбинационного рассеяния света со сканирующей туннельной микроскопией: при сканировании тонкого золотого наконечника нанометровой толщины, освещенного лазерным светом, по исследуемой поверхности, сигнал комбинационного рассеяния усиливается на много порядков непосредственно на вершине наконечника, который действует как антенна.
Этот сильный эффект усиления позволяет исследовать очень небольшое количество молекул за раз. Кроме того, жесткая фокусировка света наконечником приводит к пространственному оптическому разрешению менее десяти нанометров. Отличительной особенностью установки является то, что она может работать в реальных электрокаталитических условиях эксплуатации.
«Нам удалось показать, что при расщеплении воды на нанометровых шероховатостях – i.е. реакционные центры – образуются два разных оксида золота, которые могут представлять собой важные промежуточные звенья при отделении атома кислорода от атомов водорода », – говорит Домке. Благодаря их исследованиям теперь можно получить более точное представление о процессах, происходящих в нанометровом масштабе на реактивных поверхностях, и облегчить разработку более эффективных электрокатализаторов в будущем, где для разделения воды на водород и кислород требуется меньше энергии.