El equipo de los profesores Wang Tao, Zhou Zhiyou y el académico Sun Shigang de la Facultad de Química e Ingeniería Química de la Universidad de Xiamen, en colaboración con el profesor Huang Jun del Centro de Investigación de Jülich de Alemania, el profesor asociado Chen Junxiang del Instituto de Investigación de Estructura de la Materia de Fujian de la Academia China de Ciencias, entre otros, ha revelado la estructura molecular interfacial y las leyes de evolución dinámica de la doble capa eléctrica cuando se encuentra lejos del equilibrio, mediante la combinación de espectroscopía de absorción infrarroja mejorada por superficie con resolución temporal y simulaciones de dinámica molecular con aprendizaje automático. Los resultados correspondientes se publicaron el 2 de septiembre en la revista académica internacional *Nature*.
La interfaz sólido-líquido cargada es el lugar central donde ocurren los procesos de conversión de energía y materia. En la región nanométrica donde el electrodo contacta con el electrolito, las cargas superficiales del electrodo, los iones y las moléculas de agua forman conjuntamente la "doble capa eléctrica". Esta región interfacial, cuyo espesor es de solo unos nanómetros, presenta un campo eléctrico local extremadamente intenso que afecta directamente procesos como la adsorción molecular y el transporte iónico. Durante mucho tiempo, la teoría clásica de la doble capa eléctrica ha considerado esta capa como una estructura estática e incompresible, lo que dificulta explicar el proceso de reestructuración en tiempo real de los iones, las moléculas de agua y el campo eléctrico local dentro de la doble capa bajo condiciones de operación reales de electrocatálisis alejadas del equilibrio.
El equipo de investigación estableció un marco experimental-teórico que integra la espectroscopía de absorción infrarroja mejorada por superficie con resolución temporal y simulaciones de dinámica molecular con aprendizaje automático, logrando analizar la estructura molecular interfacial y la evolución dinámica de la doble capa eléctrica lejos del equilibrio bajo condiciones de reacción de evolución de hidrógeno (HER), y estableció además un modelo de doble capa eléctrica compresible capaz de describir la interfaz de reacción real.
La investigación reveló que, con el aumento de la polarización, la capa interna de la doble capa eléctrica del electrodo metálico experimenta una reestructuración estructural evidente en dos etapas. En la primera etapa, se produce un cambio en la orientación del agua interfacial; a medida que la polarización aumenta aún más, se entra en la segunda etapa, donde los cationes se enriquecen en la interfaz y sufren una deshidratación parcial, y parte del agua interfacial es expulsada, lo que provoca el colapso de la estructura de la capa interna de la doble capa eléctrica. Este resultado proporciona evidencia espectroscópica directa para la hipótesis de compresibilidad de la capa interna de la doble capa eléctrica.
Aún más importante, cuando el potencial experimenta un salto inverso, la expansión de la doble capa eléctrica no se restablece simplemente siguiendo la trayectoria original, sino que va acompañada de la rápida salida de cationes de alta concentración de la interfaz del electrodo, formando una estructura de transición transitoria con un mayor contenido de agua libre. Al mismo tiempo, la reestructuración dinámica de la doble capa eléctrica no es solo un cambio estructural, sino que también modifica directamente el campo eléctrico local en el lugar donde ocurre la reacción. A medida que los cationes se deshidratan parcialmente y se acercan más al electrodo, la concentración iónica dentro de la doble capa aumenta rápidamente, el espesor de la capa interna disminuye y el campo eléctrico local interfacial se intensifica significativamente. Esto indica que la relación entre el potencial aplicado al electrodo y el campo eléctrico local que realmente perciben los reactivos no es una correspondencia lineal simple, sino que está dinámicamente regulada por la microestructura de la doble capa eléctrica.
Esta investigación revela la naturaleza dinámica de la "respuesta asincrónica ion-agua" en la doble capa eléctrica lejos del equilibrio, ampliando la comprensión científica de la interfaz electroquímica desde la estructura de estado estacionario tradicional hasta la evolución dinámica durante los procesos de reacción reales.