在纳米级观察到水分解

 
在催化剂表面的粗糙区域，与光滑区域相比，水以更节能的方式分解为氢气和氧气。信誉：MPI-P，许可证CC-BY-SA这是一个著名的学校实验：在插入水中的两个电极之间施加电压会产生分子氢和氧。研究人员寻求使水分解尽可能节能，以促进工业应用。电极的材料及其表面质量是决定分离效率的关键因素。特别是，只有几纳米大小的粗糙点(称为反应中心)决定了电极的电化学反应性。
先前的研究方法不够精确，不能跟踪在实际操作条件下，即在室温下在电解质溶液中并在施加电压的情况下在电极表面的这种反应中心以足够的空间分辨率发生的化学反应。由MPI-P的Katrin Domke博士领导的一组科学家现在已经开发出一种方法，利用该方法，可以首次在低于20 nm的空间分辨率下研究在金表面上电催化水分解的初始步骤。运行条件。
卡特琳·多姆克(Katrin Domke)说：“我们能够通过实验证明，在纳米范围内具有凸起的表面比平整的表面更能节能地分解水。” “利用我们的图像，我们可以在水分解的初始步骤中追踪反应中心的催化活性。”
研究人员结合了不同的技术：在拉曼光谱中，分子被散射的光照射。散射光谱包含提供分子化学指纹的信息，从而可以识别化学物种。然而，拉曼光谱法通常仅产生数百或数千纳米的非常微弱且空间平均的信号。
因此，研究人员将拉曼技术与扫描隧道显微镜相结合。通过在研究的表面上扫描用激光照射的纳米薄金尖端，拉曼信号直接在尖端顶点处放大了多个数量级，就像天线一样。这种强大的增强作用使研究分离的分子成为可能。此外，尖端对光的紧密聚焦导致小于十纳米的空间光学分辨率。值得注意的是，该设备可以在实际的电催化操作条件下操作。
多姆克说：“我们能够证明，在纳米级粗糙点(即反应中心)的水分解过程中，形成了两种不同的金氧化物，它们可能代表了氧原子与氢原子分离的重要中间体。”研究人员已经获得了对在纳米级反应性表面上发生的过程的更精确的见解，这可能有助于将来设计更高效的电催化剂，而所需的能量更少，可以将水分解为氢和氧。