Het is een bekend schoolexperiment:het aanbrengen van een spanning tussen twee elektroden die in water zijn ingebracht, produceert moleculaire waterstof en zuurstof. Onderzoekers proberen het splitsen van water zo energiezuinig mogelijk te maken om industriële toepassingen vooruit te helpen. Het materiaal van de elektrode en de kwaliteit van het oppervlak zijn cruciale aspecten die de splijtefficiëntie bepalen. Vooral, ruwe plekken van slechts enkele nanometers groot, reactieve centra genoemd, de elektrochemische reactiviteit van een elektrode bepalen.

Eerdere onderzoeksmethoden waren niet nauwkeurig genoeg om chemische reacties te volgen die plaatsvinden in dergelijke reactieve centra op het elektrodeoppervlak met voldoende ruimtelijke resolutie onder reële bedrijfsomstandigheden, d.w.z., in elektrolytoplossing bij kamertemperatuur en met aangelegde spanning. Een team van wetenschappers onder leiding van Dr. Katrin Domke van het MPI-P heeft nu een methode ontwikkeld waarmee de eerste stappen van elektrokatalytische watersplitsing op een gouden oppervlak voor het eerst kunnen worden bestudeerd met een ruimtelijke resolutie van minder dan 10 nm onder bedrijfsomstandigheden.

"We konden experimenteel aantonen dat oppervlakken met uitsteeksels in het nanometerbereik water op een meer energie-efficiënte manier splitsen dan platte oppervlakken, " zegt Katrin Domke. "Met onze beelden, we kunnen de katalytische activiteit van de reactieve centra volgen tijdens de eerste stappen van watersplitsing."

De onderzoekers combineerden verschillende technieken:in Raman-spectroscopie, moleculen worden verlicht met licht dat ze verstrooien. Het verstrooide lichtspectrum bevat informatie die een chemische vingerafdruk van het molecuul oplevert, waardoor de identificatie van chemische soorten mogelijk is. Echter, Raman-spectroscopie produceert doorgaans slechts zeer zwakke en ruimtelijk gemiddelde signalen over honderden of duizenden nanometers.

Om deze reden, de onderzoekers combineerden de Raman-techniek met scanning tunneling microscopie. Door een nanometer dunne gouden tip te scannen die met laserlicht is verlicht over het onderzochte oppervlak, het Raman-signaal wordt versterkt door vele ordes van grootte direct aan de top van de punt, die werkt als een antenne. Dit sterke versterkende effect maakt het mogelijk om geïsoleerde moleculen te onderzoeken. Verder, de strakke focussering van het licht door de punt leidt tot een ruimtelijke optische resolutie van minder dan tien nanometer. Opmerkelijk, het apparaat kan worden bediend onder realistische elektrokatalytische bedrijfsomstandigheden.

"We waren in staat om aan te tonen dat tijdens het splitsen van water op ruwe plekken van nanometers, d.w.z. reactieve centra - er worden twee verschillende goudoxiden gevormd die belangrijke tussenproducten kunnen zijn bij de scheiding van het zuurstofatoom van de waterstofatomen, ", zegt Domke. De onderzoekers hebben nauwkeuriger inzicht gekregen in de processen die plaatsvinden op nanometerschaal op reactieve oppervlakken, wat het ontwerp van efficiëntere elektrokatalysatoren in de toekomst zou kunnen vergemakkelijken die minder energie nodig hebben om water in waterstof en zuurstof te splitsen.

De wetenschappers hebben hun resultaten gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .