電気化学：電気二重層の平衡から大きく外れたダイナミクスを探る

帯電した固–液界面は、生体系や電気化学系におけるエネルギー変換と物質変換の中心を担っており、そこでは強い局所電場が反応速度論を支配している。しかし、急速な電荷移動や平衡から大きく外れたダイナミクスを伴う現実的な電極触媒条件下では、電気二重層（EDL）の分子構造やその発展はまだほとんど理解されていない。平衡かつ非反応性の条件下で導出された古典的なEDLモデルは、反応性界面で出現する界面過程を捉えることができない。今回我々は、水素発生反応（HER）下のEDLダイナミクスを直接解明するため、実験と計算を統合した枠組みを開発した。化学的に安定なナノ構造白金（Pt）膜電極により、過電圧を高めた条件でも高感度で時間分解された表面増強赤外吸収分光法（SEIRAS）が可能になる一方、機械学習分子動力学（MLMD）によって、ナノ秒の時間スケールにわたる界面電荷ゆらぎと溶媒ダイナミクスが捉えられた。この複合的手法によって、内側層が非線形に2段階で変化し、局所電場を増強することが明らかになった。さらに、時間分解スペクトルによって、周期的な電位変化時の界面水の不可逆的な再編が明らかになっている。今回の知見によって、平衡から大きく外れた条件ではイオンと界面水が同調せずに応答することが示され、静電ポテンシャル変動、界面におけるイオンの電歪、電解質効果、エネルギー変換技術に向けた合理的な電解質設計を理解するための定量的な分子的枠組みが確立された。

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