研究人员开发了一种超快光学技术用以揭示液体中双电层是如何形成的，充电速度或将飞跃
发布时间：2025-04-29 16:37:07 阅读数： 521
强激光脉冲加热表面并扰乱双电层。
与液体接触的带电表面（如生物细胞壁或电池电极）会从液体中吸引带相反电荷的离子。这就形成了两个不同的带电区域：表面本身和液体中的反电区域：即所谓的电双层。虽然双电层对储能设备至关重要，但其形成速度却一直难以捉摸。
目前，一个研究小组开发出了一种基于光的技术来观察这一超快过程。研究结果验证了先前的模型，并将其适用范围扩展到从生物膜到下一代储能设备等各种系统。这项研究成果发表在近期的《科学》杂志上。
无论是在电动汽车的电池中（电荷载流子在充电过程中被分离出来，为汽车行驶提供能量），还是在几乎所有电子设备中都能找到的电解电容器中，亦或是在电解过程中（水被分解成氢和氧两种成分）——在所有这些技术过程中，液体中的电荷载流子都必须向界面移动。此类过程也存在于人体的生物过程中，并用于能量储存。
所有过程的共同点是在界面上形成所谓的 “电双层”--电池的两极、电容器的极板、电解过程中的电极或细胞膜。
当一侧（如电极）带负电荷时，相应的正电荷以移动离子的形式存在于液体一侧。这些只有几纳米厚的双电层如何快速形成或如何快速对扰动做出反应，对于了解储能设备如何快速吸收和释放电能（例如电池充电等应用）非常重要。
溶液界面双电层的分子细节和控制
在移动电荷载流子数量较少的情况下，理论模型和测量结果早已预测到了这些动态，并能很好地描述离子在双电层中的运动。然而，如果电荷载流子的数量增加，就像在生物系统中和电池中所必需的那样，这些模型的假设就会被打破。因此，双电层究竟是如何形成的一直是个谜。
“到目前为止，我们还无法研究双电层形成的确切过程?！甭砜怂蛊樟炙估砉ぱг壕酆衔镅芯恐魅蚊咨场げǘ?(Mischa Bonn) 表示。
“用电子电路来研究像离子运动那样快速的过程是根本不可能的，因为电路本身只能提供有限的时间分辨率。我们使用超快光学技术来规避这一限制。”
T-jump对离子和水排列的影响
因此，马克斯-普朗克聚合物研究所和维也纳大学的研究团队采用了一种光学测量方法来研究双电层的形成。为此，他们在水中加入了酸，酸会导致正离子（H3O+）的形成。
这些离子优先排列在水面上，形成电双层。研究人员利用红外线范围内的强激光脉冲加热表面，从表面去除 H3O+，从而扰动双电层。经过一段时间的延迟后，再用激光脉冲对表面进行研究，并对反射光进行检测，他们就能够量化离子是如何远离表面以达到新的平衡的。
基于PNPS理论解析了热激发下离子分布变化及不同驱动力对EDL重组速率的贡献
他们将实验结果与计算机模拟相结合。这使他们能够证明，即使在高浓度下，双电层的形成也主要是由电场引起的。
实验验证了不同温度和浓度条件下EDL重组时间与Debye-Falkenhagen理论预测的一致性
新方法为研究各种化学和生物系统中界面的此类过程开辟了新途径。此外，研究小组还发现，即使是复杂的界面也可以用相对简单的物理模型来描述。
这些研究证实，现有理论框架对双电层形成的描述非常准确。
