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Wie sich positiv und negativ geladene Ionen in der Grenzschicht zwischen einer festen Oberfläche und einer wässrigen Lösung verhalten, haben Forschende des Exzellenzclusters RESOLV an der RUB, des Schwester-Forschungsverbundes CALSOLV in Berkeley und der Universität Evry in Paris untersucht. Am Synchroton SOLEIL konnten sie mit der Terahertz-Spektroskopie genau beobachten, wann und wie in einer Elektrolytlösung mit Natrium- und Chlorid-Ionen die Wasserhüllen um diese Ionen beim Anlegen von Spannungen abgelegt werden. Die Ergebnisse beschreiben sie in der Zeitschrift „Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America“, kurz PNAS, online veröffentlicht am 15. November 2021.

Die Terahertz-Spektroskopie ermöglicht es, das Abstreifen der Hydrathülle live zu verfolgen. „Verblüffend war für uns dabei, dass der Prozess unterschiedlich für positive und negative Ladungen abläuft“, resümiert Prof. Dr. Martina Havenith, Sprecherin von RESOLV.

Asymmetrische Ablösung der Hydrathülle

Die Hydrathülle der positiv geladenen Ionen wurde schon bei kleinen angelegten Spannungen abgelöst und das Natriumion zur Elektrode gezogen. Für die negativ geladenen Chlorid-Ionen geschah das erst ab einer höheren angelegten Spannung. Diese Unterschiede konnte das Team auf das Verhalten der Wassernetzwerke an der Grenzfläche zurückführen. Die Ergebnisse bestätigten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mithilfe komplexer Computersimulationen.

„Die Methode und die Ergebnisse können nun genutzt werden, um die entscheidende Rolle von Wasser bei anderen Grenzflächenprozessen, beispielsweise an Halbleiter/Elektrolyt-Grenzflächen zu untersuchen“, so Martina Havenith. Die Ergebnisse sind wichtig für das Verständnis und die Optimierung elektrochemischer Prozesse, etwa für technologische Anwendungen wie die Solarzellen- oder Brennstoffzellentechnologien.