Das Team um Professor Wang Tao, Professor Zhou Zhiyou und Akademiemitglied Sun Shigang vom College für Chemie und Chemietechnik der Xiamen-Universität hat gemeinsam mit Professor Huang Jun vom Forschungszentrum Jülich in Deutschland sowie dem außerordentlichen Forscher Chen Junxiang vom Fujian Institute of Research on the Structure of Matter der Chinesischen Akademie der Wissenschaften durch die Kombination von zeitaufgelöster oberflächenverstärkter Infrarot-Absorptionsspektroskopie und maschinellem Lernen in Verbindung mit Molekulardynamik-Simulationen die Grenzflächenmolekülstruktur und die dynamischen Entwicklungsgesetze der elektrischen Doppelschicht im Nichtgleichgewichtszustand aufgedeckt. Die entsprechenden Ergebnisse wurden am 2. September in der internationalen Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht.
Die geladene Fest-Flüssig-Grenzfläche ist der zentrale Ort für Energie- und Stoffumwandlungsprozesse. Im nanoskaligen Bereich, in dem Elektrode und Elektrolyt in Kontakt stehen, bilden die Oberflächenladungen der Elektrode, Ionen und Wassermoleküle gemeinsam die „elektrische Doppelschicht“. Dieser nur wenige Nanometer dünne Grenzflächenbereich weist ein äußerst starkes lokales elektrisches Feld auf, das Prozesse wie Moleküladsorption und Ionentransport direkt beeinflusst. Bisher betrachtete die klassische Theorie der elektrischen Doppelschicht diese als statische, inkompressible Struktur, was die Echtzeit-Reorganisation von Ionen, Wassermolekülen und dem lokalen elektrischen Feld in der Doppelschicht unter realen, vom Gleichgewicht entfernten Elektrokatalyse-Bedingungen nur schwer erklären konnte.
Das Forschungsteam etablierte einen experimentell-theoretischen Forschungsrahmen, der zeitaufgelöste oberflächenverstärkte Infrarot-Absorptionsspektroskopie mit maschinellem Lernen in Verbindung mit Molekulardynamik-Simulationen kombiniert. Unter Wasserstoffentwicklungsreaktions- (HER) Bedingungen wurden die Grenzflächenmolekülstruktur und die dynamische Entwicklung der elektrischen Doppelschicht im Nichtgleichgewichtszustand analysiert. Darüber hinaus wurde ein kompressibles Modell der elektrischen Doppelschicht entwickelt, das die reale Reaktionsgrenzfläche beschreiben kann.
Die Studie zeigt, dass die innere Schicht der elektrischen Doppelschicht an Metallelektroden mit zunehmender Polarisation eine deutliche zweistufige strukturelle Reorganisation durchläuft. In der ersten Stufe ändert sich die Orientierung des Grenzflächenwassers; mit weiter zunehmender Polarisation tritt die zweite Stufe ein, in der sich Kationen an der Grenzfläche anreichern und teilweise dehydratisieren, wodurch ein Teil des Grenzflächenwassers verdrängt wird und die innere Schicht der Doppelschicht kollabiert. Dieses Ergebnis liefert direkte spektroskopische Belege für die Kompressibilitätsannahme der inneren Schicht der elektrischen Doppelschicht.
Von noch größerer Bedeutung ist, dass die Ausdehnung der elektrischen Doppelschicht bei einem umgekehrten Potentialsprung nicht einfach entlang des ursprünglichen Pfads zurückkehrt, sondern von einem schnellen Verlassen der hochkonzentrierten Kationen von der Elektrodenoberfläche begleitet wird, wodurch eine transiente Übergangsstruktur mit hohem Gehalt an freiem Wasser entsteht. Gleichzeitig ist die dynamische Reorganisation der Doppelschicht nicht nur eine strukturelle Veränderung, sondern verändert auch direkt das lokale elektrische Feld am Reaktionsort. Mit der teilweisen Dehydratisierung der Kationen und ihrer Annäherung an die Elektrode steigt die Ionenkonzentration in der Doppelschicht schnell an, die Dicke der inneren Schicht nimmt ab und das lokale elektrische Feld an der Grenzfläche wird deutlich verstärkt. Dies zeigt, dass zwischen dem angelegten Elektrodenpotential und dem tatsächlich von den Reaktanten wahrgenommenen lokalen elektrischen Feld keine einfache lineare Beziehung besteht, sondern dass dieses durch die mikroskopische Struktur der Doppelschicht dynamisch reguliert wird.
Diese Studie deckt das dynamische Wesen der „asynchronen Ionen-Wasser-Antwort“ in der elektrischen Doppelschicht im Nichtgleichgewichtszustand auf und erweitert das wissenschaftliche Verständnis der elektrochemischen Grenzfläche von der traditionellen stationären Struktur hin zur dynamischen Entwicklung in realen Reaktionsprozessen.