Elektrochemische processen kunnen worden gebruikt om CO . om te zetten ₂ tot bruikbare grondstoffen voor de industrie. Om de processen te optimaliseren, scheikundigen proberen de energiekosten van de verschillende reactiepartners en stappen tot in detail te berekenen. Onderzoekers van de Ruhr-Universität Bochum (RUB) en de Sorbonne Université in Parijs hebben ontdekt hoe kleine hydrofobe moleculen, zoals CO ₂ , bijdragen aan de energiekosten van dergelijke reacties door te analyseren hoe de moleculen interageren in water aan het grensvlak. Het team beschrijft de resultaten in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences , online gepubliceerd op 13 april 2021.

Om het werk uit te voeren, Dr. Alessandra Serva en professor Mathieu Salanne van Laboratoire PHENIX aan de Université Sorbonne werkten samen met professor Martina Havenith en Dr. Simone Pezzotti van de Bochum-leerstoel Fysische Chemie II.

Cruciale rol voor kleine hydrofobe moleculen

Bij veel elektrochemische processen kleine hydrofobe moleculen reageren op katalysatoroppervlakken die vaak uit edelmetalen bestaan. Dergelijke reacties vinden vaak plaats in een waterige oplossing, waarbij de watermoleculen zogenaamde hydratatieschillen vormen rond de andere moleculen:ze hopen zich op rond de andere moleculen. Het water rondom pool, d.w.z. hygroscopische moleculen gedragen zich anders dan het water dat niet-polaire moleculen omringt, die ook wel hydrofoob worden genoemd. Het Frans-Duitse onderzoeksteam was geïnteresseerd in deze hydrofobe hydratatie.

Met behulp van moleculaire dynamische simulaties, analyseerden de onderzoekers de hydrofobe hydratatie van kleine moleculen zoals koolstofdioxide (CO ₂ ) of stikstof (N2) op het grensvlak tussen het goud en water. Ze toonden aan dat de interactie van watermoleculen in de buurt van kleine hydrofobe moleculen een cruciale bijdrage levert aan de energiekosten van elektrochemische reacties.

Model voor berekening energiekosten uitgebreid

De onderzoekers implementeerden deze bevindingen in de Lum-Chandler-Weeks-theorie. Hiermee kan de energie worden berekend die nodig is om waternetwerken te vormen. "De energiekosten voor hydrofobe hydratatie zijn in het vorige model voor het grootste deel berekend. Dit model is hier nu uitgebreid naar hydrofobe moleculen nabij grensvlakken. Dit geval was niet eerder opgenomen, " legt Martina Havenith uit, de voorzitter van het Ruhrgebied onderzoekt Solvation Cluster of Excellence, RESOLV in het kort, bij RUB. Met het aangepaste model kunnen de energiekosten voor hydrofobe hydratatie nu worden berekend op het grensvlak tussen goud en water op basis van de grootte van de hydrofobe moleculen. "Vanwege de waterbijdrage, de grootte van de moleculen speelt een belangrijke rol in de chemische reacties op deze grensvlakken, " zegt Dr. Simone Pezzotti van de Bochum-leerstoel Fysische Chemie II.

Bijvoorbeeld, het model voorspelt dat kleine hydrofobe moleculen de neiging hebben zich op te hopen aan het grensvlak op basis van de interacties met het water, terwijl grotere moleculen verder weg in de oplossing zouden blijven.