一国际研究团队在BESSY II上进行实验首次详细展示电解质如何变成金属

一个国际团队在BESSY II开发了一种先进实验技术,用于观察电解质中金属导带的形成。该团队在BESSY II使用软X射线对这些液体射流进行了研究,随后便能够根据他们获得的数据和理论预测对这一过程进行详细分析。这项工作已经发表在《科学》杂志封面。

一国际研究团队在BESSY II上进行实验首次详细展示电解质如何变成金属
该小组专家已经精心模拟了液氨中溶解电子结构

金属与其他材料的不同之处一般都很好理解。在金属中,一些原子的外层电子以所谓传导带方式穿过晶格。这就是金属导电方式。与金属相反,电解质中的离子是无序的,导电性甚至会随着离子浓度的增加而降低。那么,溶解在电解质中的许多单金属原子又是如何产生金属行为的呢?在什么浓度下,到底如何形成传导带,在这个过程中电子轨道又是如何表现的呢?

现在,一个大型的国际合作组织已经开发出了一种先进实验技术,使得首次观察这些过程成为可能。京都、洛杉矶、巴黎、布拉格和柏林等地著名研究所的17位作者贡献了他们的专业知识。

该国际研究团队合作在BESSY II上进行实验。第一步,物理学家将锂和钠等碱金属溶解在氨水中,形成溶液。金属原子成为带正电的离子,其外层电子被吸入液态氨溶液中。这些溶液在金属浓度较低时略带蓝色,但随着金属浓度的增加,蓝色会越来越浓,直至过渡到金黄色。科学家们认为,这种令人惊讶的颜色变化与溶解金属中的电子状态有关。

在BESSY II U49/2-PGM-1光束线上使用SOL³PES仪器,研究小组能够在超高真空下用光电子能谱研究以极窄的液体射流的形式研究不同浓度的碱金属/氨溶液。这些溶液必须冷却到零下60摄氏度左右。在此温度下,氨是液体,其蒸发量足够低。这使得他们能够实际精确测量从电解质到金属的转变。

这是该团队第一次能够捕捉到液氨中多余电子的光电信号。研究人员观察到一个约2电子伏特(eV)的窄峰,这表明存在溶解的电子和介子,这也解释了为什么在中低浓度金属离子时,溶液最初是蓝色的:溶液吸收红色区域的光,这与2电子伏特的峰值相对应。

以布拉格理论家帕维尔·荣维斯(Pavel Jungwirth)和昂德里·马尔萨莱克(Ondrej Marsalek)为首的小组已经能够预先模拟溶液中溶解电子的电子结构。这个研究小组发现,他们计算出的结合能与该实验确定值非常吻合。

这项工作之所以发表在《科学》杂志上,是因为它为从根本上理解电解质从非导电性向金属性的转变做出了重要贡献。此外,该项研究有助于在电池电解质和电子电容器中方面深刻认识以产生实际应用价值。

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