氢正在被用作未来的能源载体。迄今为止，现有的方法还不能阐明在催化剂表面上分子级的水分解的电化学过程是如何精确发生的。科学家现在已经开发出一种新的方法来研究这种在纳米级“实时”发生的过程。
这是一项众所周知的学校实验：在插入水中的两个电极之间施加电压时，会产生分子氢和氧。为了促进该方法的工业应用，必不可少的是使水分解尽可能地节能。除了电极的材料外，其表面质量也是分割效率的关键方面。特别是，只有几纳米大小（即百万分之一毫米）的粗糙斑点（称为反应中心）决定了电极的电化学反应活性。
先前的研究方法不够精确，不能跟踪在实际操作条件下（即在室温下在电解质溶液中并在施加电压下）在电极表面的此类反应中心以足够的空间分辨率发生的化学反应。由MPI-P的独立勃林格殷格翰“ Plus 3”小组组长Katrin Domke博士领导的一组科学家现已开发出一种新方法，可用于研究在金表面上电催化水分解的初始步骤。在操作条件下的时间分辨率小于10 nm。
卡特琳·多姆克（Katrin Domke）说：“我们能够通过实验证明，在纳米范围内具有突起的表面比平整表面更能节能地分解水。” “利用我们的图像，我们可以在水分解的初始步骤中追踪反应中心的催化活性。”
对于他们的方法，他们结合了不同的技术：在拉曼光谱中，分子被散射的光照射。散射光谱包含提供分子化学指纹的信息，从而可以识别化学物种。然而，拉曼光谱通常是仅产生非常弱的并且此外仅产生数百或数千纳米的空间平均信号的技术。
因此，研究人员将拉曼技术与扫描隧道显微镜相结合：通过在被研究表面上扫描用激光照射的纳米薄金针尖，将拉曼信号直接在针尖顶点放大许多数量级，从而就像天线一样。这种强大的增强作用可以一次研究很少的分子。此外，尖端对光的紧密聚焦导致小于十纳米的空间光学分辨率。该设备的独特之处在于它可以在实际的电催化运行条件下运行。
多姆克说：“我们能够证明，在纳米级的水斑处（即反应中心）分解过程中，会形成两种不同的金氧化物，这可能代表了氧原子与氢原子分离的重要中间体。”通过他们的研究，现在可以更精确地洞悉反应性表面上纳米级上发生的过程，并为将来设计更高效的电催化剂提供便利，因为在此过程中，需要较少的能量将水分解为氢和氧。
——文章发布于2020年3月5日
