В статье для Nature Communications группа под руководством доктора Марсело Лосада-Идальго из Национального института графена (NGI) использовала графен в качестве электрода для измерения как электрической силы, приложенной к молекулам воды, так и скорости, с которой они разрушаются в ответ на такое воздействие. сила. Исследователи обнаружили, что вода разрушается экспоненциально быстрее в ответ на более сильные электрические силы.
Исследователи считают, что это фундаментальное понимание межфазной воды может быть использовано для разработки лучших катализаторов для получения водородного топлива из воды. Это важная часть стратегии Великобритании по достижению чистой нулевой экономики. Д-р Марсело Лозада-Идальго сказал: «Мы надеемся, что результаты этой работы будут полезны для различных сообществ, включая физики, катализ и межфазную науку, и что они помогут разработать более совершенные катализаторы для производства зеленого водорода».
Молекула воды состоит из протона и гидроксид-иона. Его диссоциация включает в себя разделение этих двух составляющих ионов с помощью электрической силы. В принципе, чем сильнее разрывается молекула воды, тем быстрее она должна разорваться. Этот важный момент не был продемонстрирован количественно в экспериментах.
Хорошо известно, что электрические силы разрушают молекулы воды , но более сильные силы не всегда приводят к более быстрой диссоциации воды, что долгое время озадачивало ученых. Ключевое отличие графеновых электродов в том, что они проницаемы только для протонов. Исследователи обнаружили, что это позволяет отделить полученный протон от иона гидроксида через графен, который представляет собой барьер толщиной в один атом, предотвращающий их рекомбинацию. Это разделение зарядов необходимо для наблюдения за ускорением диссоциации воды электрическим полем. Еще одним ключевым преимуществом графена является то, что он позволяет экспериментально оценить электрическое поле на границе раздела графен-вода, что позволяет количественно охарактеризовать эффект поля.
Результаты можно объяснить с помощью классической теории Онзагера, которая осталась непроверенной экспериментально в важном случае воды. Цзюньхао Кай, доктор философии. студент и соавтор работы сказал: «Мы были удивлены, обнаружив, насколько хорошо теория Онзагера соответствует нашим данным. Эта теория дает представление о межфазной воде, включая независимую оценку ее диэлектрической проницаемости, которая остается плохо изученной».
Авторы в восторге от возможностей, предлагаемых их экспериментальной установкой. Эоин Гриффин, доктор философии. студент и соавтор работы сказал: «Графеновые электроды сочетают в себе три свойства, которые, насколько нам известно, никогда не встречаются вместе в одной системе: только протоны проникают через кристалл, он имеет толщину в один атом и может выдерживать очень сильные электрические силы. Эта комбинация позволяет нам существенно разделить первый слой молекул воды на поверхности графена».
