Language
Country/Area
No result found
赫爾姆霍茲的發現：電極與電解質之間的隱藏互動是什麼？
在表面科學中，雙層（也稱為電雙層，EDL）是一種結構，當物體暴露於流體時出現。這種物體可能是固體顆粒、氣泡、液滴或多孔體。雙層指的是圍繞物體的兩個平行電荷層。第一層是表面電荷，由於化學相互作用，離子吸附在物體上。第二層由通過庫侖力吸引到表面電荷的離子組成，這層電荷以鬆散的方式與物體關聯，並在流體中自由運動，而不是堅定地附著。這層因此被稱為“擴散層”。在大型表面積與體積比的系統中，像是膠體或多孔物質，界面雙層是最明顯的，但在其他現象中，如電極的電化學行為中，雙層也有其重要性。
雙層在許多日常物質中起著根本性作用，例如，同質化牛奶的存在正是因為脂肪滴被覆蓋有電雙層，這防止了其凝固成黃油。
赫爾姆霍茲是首位認識到電子導體與固體或液體離子導體（電解質）接觸時，兩相之間出現共同邊界的人。他於1853年展示了電雙層本質上是一種分子介電質，並可以靜電方式儲存電荷。儲存的電荷與施加的電壓之間存在線性依賴關係。在這之前，許多人依賴於早期的模型，然而這些模型沒有考慮到解中離子的擴散/混合的過程，也没有解析表面吸附的可能性。
改良的“Gouy-Chapman模型”由路易·喬治·古伊和大衛·查普曼分別在1910年和1913年提出。他們的觀察證明了電容不是一個常數，並且依賴於所施加的電壓和離子濃度。這一模型的出現使得我們能夠用Maxwell-Boltzmann統計來描述離子的電荷分布，電勢隨著流體的增幅指數遞減，這對於生物電化學有著特別的相關性。
在這個擴散層之間，離子數量不足的現象會導致減少的屏蔽效應，進而產生延伸數納米的電場。
在1924年，奧托·斯特恩提出了一個更具體的模型，結合了赫爾姆霍茲模型和古伊-查普曼模型。他的模型考慮了離子的有限大小，並暗示了一個內部的斯特恩層和一個擴散層。這一模型雖然具有新的見解，但也面臨著其自身的局限性。
隨著這些理論的演變，許多科研人員相繼提出建議和觀察。1947年D.C.格雷哈姆在斯特恩模型的基礎上提出了其自己的意見，建議某些離子或者未帶電的物質能夠穿透斯特恩層，形成了“特定吸附的離子”。隨後，還有眾多重要的研究發現了溶劑界面對於雙層電荷的影響。Brian Evans Conway則在1975年至1980年間深入探討了鎳基電化學電容器，並進一步區分了超級電容器和電池，而這些都有助於理解雙層的行為。
隨著研究的深入，從電子轉移的角度來看，電雙層的形成過程被假設為由兩步驟組成。
進一步的研討表明，與固體之間的接觸電氣化是以電子轉移為主導。這些模型建議，在液體-固體界面，電子轉移和離子轉移是共存的，為我們了解電雙層內部的運作提供了更深層的認識。
總結來看，電雙層的形成和行為不僅要考慮到物質的界面電荷生成機制，還需要深入理解電子和離子的相互作用。未來在該領域的研究中，還會有哪些潛在的突破和發現呢？
