Die Optimierung elektrochemischer Reaktionen ist für die Umstellung hin zu erneuerbaren Energie- und Kohlenstoffquellen eine wichtige Stellschraube. Forschende des Exzellenzclusters «Resolv» an der Ruhr-Universität Bochum und der École normale supérieure in Paris haben zwei neue Aspekte gefunden, um elektrochemische Reaktionen an Grenzflächen zu steuern und damit zu optimieren.
Um das komplexe Verhalten an Grenzflächen zu verstehen, untersuchte die Gruppe einen wichtigen Parameter bei elektrochemischen Reaktionen, die sog. Säurekonstante (pKa) an elektrifizierten Metalloberflächen/Wasser-Grenzflächen. Dieser Wert ist in der Lösung wohl bekannt. Allerdings gab es Spekulationen darüber, dass sich dieser Wert, der für die Reaktion entscheidend ist, in der Nähe einer Elektrode von der in einer Lösung unterscheidet. Um pKa-Werte unter elektrochemischen Bedingungen zu messen, hat das Team besondere, oberflächenspezifische spektroskopische Techniken – die Surface-Enhanced Raman Spectroscopy – eingesetzt und die Ergebnisse mit theoretischer Modellierung verglichen. Damit konnten als Funktion der angelegten Spannung signifikante Abweichungen von der Säure-Base-Chemie an elektrifizierten Grenzflächen aufgedeckt werden, die sich von den bekannten Prozessen in der Lösung unterscheiden.
In der Publikation beschreiben die Forschenden zwei neue Schlüsselmechanismen, die Säure-Base-Reaktionen an elektrifizierten Grenzflächen beeinflussen: den Einfluss der lokalen Wasserstruktur an der Elektrode und die starken lokalen elektrischen Felder. Am Beispiel der Aminosäure Glycin wurde die Protonierung/Deprotonierung als Funktion der angelegten Felder vermessen und eine Destabilisierung des Zwitterions beobachtet. Die Ergebnisse zeigen die Veränderungen der lokalen Solvatationseigenschaften an Metall/Wasser-Grenzflächen auf und eröffnen neue Möglichkeiten zur Optimierung der Reaktivität in der Elektrochemie. Diese Erkenntnisse bieten neue Chancen zur Entwicklung von Strategien für die Katalyse, da die beiden entscheidenden Faktoren – lokale Wasserstrukturen und elektrische Felder – manipuliert werden können.
