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Mit elektrochemischen Verfahren könnte sich CO2 in nützliche Ausgangsstoffe für die Industrie umwandeln lassen. Um die Prozesse zu optimieren, versuchen Chemikerinnen und Chemiker im Detail zu berechnen, welche Energiekosten durch die verschiedenen Reaktionspartner und -schritte entstehen. Wie kleine wasserabweisende Moleküle, etwa CO2, zu den Energiekosten solcher Reaktionen beitragen, haben Forscherinnen und Forscher der Ruhr-Universität Bochum (RUB) und Sorbonne Université in Paris herausgefunden, indem sie die Interaktion der Moleküle in Wasser an der Grenzfläche analysierten.
Das Team beschreibt die Ergebnisse in der der Zeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences, kurz PNAS, online veröffentlicht am 13. April 2021. Für die Arbeiten kooperierten Dr. Alessandra Serva und Prof. Dr. Mathieu Salanne vom Laboratoire PHENIX der Université Sorbonne mit Prof. Dr. Martina Havenith und Dr. Simone Pezzotti vom Bochumer Lehrstuhl für Physikalische Chemie II.
Entscheidende Rolle für kleine wasserabweisende Moleküle
In vielen elektrochemischen Prozessen reagieren kleine wassermeidende Moleküle an Katalysator-Oberflächen, die häufig aus Edelmetallen bestehen. Solche Reaktionen finden oft in wässriger Lösung statt, wobei die Wassermoleküle um die anderen Moleküle sogenannte Hydrathüllen bilden: Sie lagern sich um die anderen Moleküle. In der Umgebung von polaren, also wasseranziehenden Molekülen verhält sich das Wasser dabei anders als in der Umgebung von unpolaren Molekülen, die auch als hydrophob, also wasserabweisend bezeichnet werden. Für diese hydrophobe Hydratation interessierte sich das deutsch-französische Forschungsteam.
Mit Molekulardynamik-Simulationen analysierten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die hydrophobe Hydratation von kleinen Molekülen wie Kohlendioxid (CO2) oder Stickstoff (N2) an der Grenzfläche zwischen Gold und Wasser. Sie zeigten, dass die Interaktion von Wassermolekülen in der Umgebung der hydrophoben kleinen Moleküle entscheidend zu den Energiekosten von elektrochemischen Reaktionen beiträgt.
Modell für Berechnung von Energiekosten erweitert
Diese Erkenntnisse implementierten die Forscherinnen und Forscher in die Lum-Chandler-Weeks-Theorie. Mit dieser lässt sich die Energie berechnen, die für das Ausbilden von Wassernetzwerken erforderlich ist. „Die Energiekosten für die hydrophobe Hydratation wurden in dem vorherigen Modell für ein großes Volumen berechnet, hier wurde dieses Modell jetzt auf hydrophobe Moleküle in der Nähe von Grenzflächen erweitert. Dieser Fall war zuvor nicht enthalten“, erklärt Prof. Dr. Martina Havenith, Sprecherin des Exzellenzclusters Ruhr Explores Solvation, kurz RESOLV, an der RUB. Mit dem adaptierten Modell können nun die Energiekosten für die hydrophobe Hydratation an der Grenzfläche von Gold und Wasser berechnet werden, und zwar abhängig von der Größe der hydrophoben Moleküle. „Durch den Einfluss des Wassers spielt die Größe der Moleküle eine entscheidende Rolle in der chemischen Reaktion an der Grenzfläche“, sagt Dr. Simone Pezzotti vom Bochumer Lehrstuhl für Physikalische Chemie II.
So sagt das Modell etwa vorher, dass sich kleine hydrophobe Moleküle aufgrund der Interaktionen mit dem Wasser eher an der Grenzfläche sammeln würden, während größere Moleküle weiter entfernt in der Lösung verbleiben würden.
Förderung
Die Arbeiten wurden finanziell gefördert vom European Research Council mit einem ERC Advanced Grant (Fördernummer 695437) sowie im Rahmen des Horizon-2020-Programms der Europäischen Union (Fördernummer 771294). Die Deutsche Forschungsgemeinschaft förderte die Arbeiten im Rahmen des Exzellenzclusters RESOLV (EXC 2033 – 390677874).
Dr. Simone Pezzotti
Lehrstuhl für Physikalische Chemie II
Fakultät für Chemie und Biochemi
Ruhr-Universität Bochum
Tel.: +49 234 32 24229
E-Mail: simone.pezzotti@rub.de
Prof. Dr. Martina Havenith
Physikalische Chemie II
Fakultät für Chemie und Biochemie
Ruhr-Universität Bochum
Tel.: +49 234 32 28249
E-Mail: pc2office@rub.de
Alessandra Serva, Mathieu Salanne, Martina Havenith, Simone Pezzotti: Size-dependence of hydrophobic hydration at electrified gold/water interfaces, in: PNAS, 2021, DOI: 10.1073/pnas.2023867118
Criteria of this press release:
Journalists
Chemistry
transregional, national
Research results, Scientific Publications
German
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