A equipa dos Professores Wang Tao, Zhou Zhiyou e do Académico Sun Shigang da Faculdade de Química e Engenharia Química da Universidade de Xiamen, em colaboração com o Professor Huang Jun do Centro de Investigação de Jülich, na Alemanha, e o Professor Associado Chen Junxiang do Instituto de Investigação da Estrutura da Matéria de Fujian da Academia Chinesa de Ciências, entre outros, revelou a estrutura molecular interfacial e as leis de evolução dinâmica da dupla camada elétrica quando esta se encontra longe do estado de equilíbrio, através de um método que combina espectroscopia de absorção infravermelha por reflexão-absorção melhorada de superfície com resolução temporal e simulações de dinâmica molecular por aprendizagem automática. Os resultados foram publicados a 2 de setembro na revista académica internacional *Nature*.
A interface sólido-líquido carregada é o local central onde ocorrem os processos de conversão de energia e matéria. Na região nanométrica de contacto entre o elétrodo e o eletrólito, as cargas superficiais do elétrodo, os iões e as moléculas de água formam em conjunto a "dupla camada elétrica". Esta região interfacial, com apenas alguns nanómetros de espessura, possui, no entanto, um campo elétrico local extremamente forte, que afeta diretamente processos como a adsorção molecular e o transporte iónico. Durante muito tempo, a teoria clássica da dupla camada elétrica considerou esta camada como uma estrutura estática e incompressível, sendo difícil explicar o processo de reestruturação em tempo real de iões, moléculas de água e do campo elétrico local no seu interior, sob condições reais de eletrocatálise afastadas do equilíbrio.
A equipa de investigação estabeleceu um quadro teórico-experimental que integra espectroscopia de absorção infravermelha por reflexão-absorção melhorada de superfície com resolução temporal e simulações de dinâmica molecular por aprendizagem automática, analisando a estrutura molecular interfacial e a evolução dinâmica da dupla camada elétrica longe do equilíbrio sob condições de reação de evolução de hidrogénio (HER), e estabeleceu ainda um modelo compressível de dupla camada elétrica capaz de descrever a interface de reação real.
O estudo descobriu que, com o aumento da polarização, a camada interna da dupla camada elétrica do elétrodo metálico sofre uma reestruturação estrutural evidente em duas fases. Na primeira fase, ocorre uma mudança na orientação da água interfacial; com o aumento adicional da polarização, entra-se na segunda fase, em que os catiões se enriquecem na interface e sofrem desidratação parcial, e parte da água interfacial é expelida, levando ao colapso da estrutura da camada interna da dupla camada elétrica. Este resultado fornece evidência espetroscópica direta para a hipótese da compressibilidade da camada interna da dupla camada elétrica.
Mais importante ainda, quando o potencial sofre um salto reverso, a expansão da dupla camada elétrica não se recupera simplesmente ao longo do caminho original, mas é acompanhada pela saída rápida de catiões de alta concentração da interface do elétrodo, formando uma estrutura de transição transitória com maior teor de água livre. Simultaneamente, a reestruturação dinâmica da dupla camada elétrica não é apenas uma mudança estrutural, mas também altera diretamente o campo elétrico local no local onde ocorre a reação. À medida que os catiões se desidratam parcialmente e se aproximam do elétrodo, a concentração iónica na dupla camada elétrica aumenta rapidamente, a espessura da camada interna diminui e o campo elétrico local na interface é significativamente intensificado. Isto indica que a relação entre o potencial aplicado ao elétrodo e o campo elétrico local efetivamente sentido pelos reagentes não é uma simples correspondência linear, mas é dinamicamente regulada pela microestrutura da dupla camada elétrica.
Este estudo revela a natureza dinâmica da "resposta assíncrona ião-água" na dupla camada elétrica longe do equilíbrio, alargando a compreensão científica da interface eletroquímica da tradicional estrutura de estado estacionário para a evolução dinâmica durante processos de reação reais.