Grundlegende Studien zur Metallabscheidung aus Raumtemperaturschmelzen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel dieses Projekts war es, zunächst die elektrochemische Grenzschicht zwischen metallischen Modellelektroden und ionischen Flüssigkeiten zu charakterisieren und darauf aufbauend im zweiten Schritt, die wohl-definierte Abscheidung von unterschiedlichen Metallen zu realisieren und die dabei bestimmenden Wachstumsprozesse aufzulösen. Hinsichtlich der elektrochemischen Grenzschichten wurde Au(100) in Kontakt mit BMITf2N und mit BMIPF6 untersucht und die Ergebnisse mit entsprechenden Messungen an Ag(100) Elektroden verglichen. Wichtig für die Charakterisierung ist ebenfalls eine genaue Kenntnis des Nulladungspotentials. Hierfür wurde innerhalb des Projekts eine Apparatur geplant und umgesetzt, die ein langsames und kontrolliertes Eintauchen der Einkristallelektrode in die ionische Flüssigkeit in einer inerten Atmosphäre erlaubt. Hiermit wurden daraufhin die Nulladungspotentiale der unterschiedlichen Systeme (siehe oben) bestimmt und die Kinetik des Auf- und Entladens der elektrochemischen Grenzschicht genauer untersucht. Abschließend wurde noch der Einfluß der Temperatur auf die Grenzschicht beleuchtet, wobei sich ein starker Effekt bei der Bildung der elektrochemischen Doppelschicht und deren Kinetik zeigte. Nach der Charakterisierung der Grenzschichten wurde im zweiten Teil des Projekts dann die Metallabscheidung aus ionischen Flüssigkeiten betrachtet, wobei neben der Abscheidung von Lithium, welche von Relevanz für Batterien ist, auch Titan (unter anderem interessant für den Korrosionsschutz) und Eisen sowie Dysprosium (relevant für die Elektronik) realisiert und das jeweilige Wachstumsverhalten genauer untersucht werden konnte. So wurde Titan aus einer Imidazolium-basierten ionischen Flüssigkeit abgeschieden und dieser Prozess mit verschiedenen analytischen Methoden (CV, STM, AES) vollständig charakterisiert. Es konnte gezeigt werden, dass der im CV auftretende große Reduktionspeak bei −1.5 V vs. Ag/AgCl, welcher der Titanabscheidung zugeordnet wurde, mit der Bildung von Inseln einer Monolage Höhe auf der Elektrodenfläche einhergeht, wie STM-Aufnahmen in diesem Potentialbereich belegen. Desweiteren konnte Lithium aus einer Piperidinium-basierten ionischen Flüssigkeit abgeschieden werden und dieser Prozess unter Kombination verschiedener Messmethoden wie CV, in-situ STM und in-situ EQCM (elektrochemische Quarzmikrowaage) charakterisiert werden. Im CV ließen sich mehrere kathodische und anodische Prozesse bei verschiedenen Potentialen beobachten, für die dann zugehörige STM-Aufnahmen der Elektrodenoberfläche gewonnen wurden. Es konnte gezeigt werden, daß ausgehend von einer freien Goldoberfläche, die Lithiumabscheidung potentialabhängig in drei verschiedenen Wachstumsmoden zu verlaufen scheint. Bei 0 V vs. Pt konnte die Ausbildung dendritischer Stränge beobachtet werden. Bei −1.4 V vs. Pt wurde die inselartige Unterpotentialabscheidung (UPD) von Li aufgezeichnet. Bei weiterer Potentialabsenkung auf Werte <−2.1 V wurde das dreidimensionale Lithiumwachstum in mehreren Lagen beobachtet. Zusätzlich wurden EQCM- Messungen durchgeführt um die molekulare Masse der Adsorbatspezies mit hoher Präzision zu bestimmen. Beim Eisen und Dysprosium konnte ebenfalls die Abscheidung realisiert werden und die entsprechenden Prozeß-bestimmenden Parameter optimiert werden. Gerade für das bei der Herstellung von Permanentmagneten wichtige Dysprosium ließen sich somit Inseln von bis zu 300 pm und mehr erreichen, was für die elektrochemische Herstellung sicherlich ein wichtiger Schritt ist.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- The interface between Au(100) and 1-butyl-3-methyl-imidazolium-bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, J. Electroanal. Chem., 737, 218–225 (2015)
C. Müller, S. Vesztergom, T. Pajkossy, T. Jacob
(Siehe online unter https://doi.org/10.1039/c1cp20562e) - Dysprosium electrodeposition from a hexaalkylguanidinium-based ionic liquid, Nanoscale, 8, 13997–14003 (2016)
C. Berger, M. Arkhipova, G. Maas, T. Jacob
(Siehe online unter https://doi.org/10.1039/c6nr01351a) - Immersion measurements of potential of zero total charge (pztc) in ionic liquids, Electrochim. Acta, 188, 512–515 (2016)
C. Müller, S. Vesztergom, T. Pajkossy, T. Jacob
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.electacta.2015.11.141) - The interface between HOPG and 1-butyl-3-methyl-imidazolium hexafluorophosphate, Phys. Chem. Chem. Phys., 18(2), 916–925 (2016)
C. Müller, K. Németh, S. Vesztergom, T. Pajkossy, T. Jacob
(Siehe online unter https://doi.org/10.1039/c5cp05406k) - Titanium deposition from ionic liquids – proper choice of electrolyte and precursor, Phys. Chem. Chem. Phys., 18, 4961–4965 (2016)
C. Berger, M. Arkhipova, A. Farkas, G. Maas, T. Jacob
(Siehe online unter https://doi.org/10.1039/C5CP07152F) - Lithium deposition from a piperidinium-based ionic liquid: Rapping dendrites on the knuckles, Chem. Electro. Chem., 4, 261–265 (2017)
C. Berger, M. Ceblin, T. Jacob
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/celc.201600730)
