Structure and Dynamics of the Interfacial Layers between Ionic Liquids and Metal Electrodes

• Applicants: Professor Dr. Frank Endres; Professor Dr. Bernhard Roling
• Subject Area: Physical Chemistry of Solids and Surfaces, Material Characterisation ; Physical Chemistry of Molecules, Liquids and Interfaces, Biophysical Chemistry
• Term: from 2014 to 2018
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 253493261

• Final Report Year: 2018

Final Report Abstract

In diesem Projekt wurden folgende grundlegende Ergebnisse erzielt:  Unterschiedliche Nullladungspotentiale (PZFC, PZTC) der Grenzfläche IL / Metall konnten über die Zeitskala der zugrundeliegenden Prozesse unterschieden werden.  Es wurden starke Hinweise dafür gefunden, dass Overscreening-Effekte an der Grenzfläche IL / Elektrode einen starken Einfluss auf die Kinetik von Ladungstransferreaktionen besitzen.  Es konnte gezeigt werden, dass die häufig diskutierten niedrigen CPE-Exponenten in den Impedanzspektren von rauen Metall / IL-Grenzflächen nichts mit der elektrostatischen Doppelschichtbildung zu tun haben, sondern vom Einfluss der Rauigkeit auf langsamere Grenzflächenprozesse herrühren. Es konnten neue Erkenntnisse gewonnen werden, wie 3-Elektroden-Artefakte in den Impedanzspektren von Metall / IL –Grenzflächen minimiert werden können.  Mittels einer Kombination von AFM-basierten Messungen konnten Informationen über die 3D-Struktur einer Elektroden / IL – Grenzfläche erhalten werden.  Fremdsalz (wie z.B. LiTFSA) stört die Grenzflächenschichten von ionischen Flüssigkeiten.  AgTFSA stört die Grenzflächenschichten schon bei sehr niedriger Konzentration, während der elektrochemischen Abscheidung sind keine Grenzflächenschichten mehr feststellbar.  Das Grenzflächenverhalten von ionischen Flüssigkeiten auf Halbleitern ist kompliziert und abhängig von der Flüssigkeit. Die im Ultrahochvakuum mittels Tunnelspektroskopie gemessene Bandlücke von Silizium wurde mit einem physikalischen Ansatz erklärt.

Publications

• 'In situ atomic force microscopy studies of the interfacial multilayer nanostructure of LiTFSI-[Py1,4]TFSI on Au(111): influence of Li+ ion concentration on the Au(111)/IL interface', J. Phys. Chem. C 119 (2015) 16734-16742
  Lahiri, Abhishek; Carstens, Timo; Atkin, Rob; Borisenko, Natalia & Endres, Frank
  
• 'Influence of Electrode Roughness on Double Layer Formation in Ionic Liquids', J. Phys. Chem. C 119 (2015) 4620-4626
  T. Jänsch, J. Wallauer, B. Roling
  
• 'Minimizing Artifacts in Three-electrode Double Layer Capacitance Measurements Caused by Stray Capacitances', Electrochim. Acta 176 (2015) 907-918
  Balabajew, M. & Roling, B.
  
• 'Nanostructure of the ionic liquid – graphite Stern layer', ACS Nano 9 (2015) 7608-7620
  Elbourne, Aaron; McDonald, Samila; Voïchovsky, Kislon; Endres, Frank; Warr, Gregory G. & Atkin, Rob
  
• '3-Dimensional Structure of a Prototypical Ionic Liquid - Solid Interface: Ionic Crystal-Like Behavior Induced by Molecule- Substrate Interactions', J. Phys. Chem. C 120 (2016) 11947-11955
  Ebeling, Daniel; Bradler, Stephan; Roling, Bernhard & Schirmeisen, André
  
• 'Electrochemical Kinetics of Ferrocene-Based Redox-ILs Investigated by Multispectrum Impedance Fitting', J. Phys. Chem. C 121 (2017) 26706-26712
  Wallauer, J.; Jähme, K.; Venker, A.; Kübler, P.; Sundermeyer, J. & Roling, B.
  
• 'Nanostructure of the H-terminated p-Si(111)/ionic liquid interface and the effect of added lithium salt ', Phys. Chem. Chem. Phys. 19 (2017) 54-58
  Hoffmann, Viktor; Lahiri, Abhishek; Borisenko, Natalia; Carstens, Timo; Pulletikurthi, Giridhar; Borodin, Andriy; Atkin, Rob & Endres, Frank
  
• 'Influence of a silver salt on the nanostructure of a Au(111)/ionic liquid interface: an atomic force microscopy study and theoretical concepts', Phys. Chem. Chem. Phys. 20 (2018) 4760-4771
  Hoffmann, Viktor; Pulletikurthi, Giridhar; Carstens, Timo; Lahiri, Abhishek; Borodin, Andriy; Schammer, Max; Horstmann, Birger; Latz, Arnulf & Endres, Frank
  
• 'Interactions between lithium, an ionic liquid, and Si(111) surfaces studied by X-ray photoelectron spectroscopy', J .Phys. Chem. Lett. 9 (2018) 4673-4678
  Liu, Zhen; Li, Guozhu; Borodin, Andriy; Liu, Xiaoxu; Li, Yao & Endres, Frank
  
• 'The apparent band gap of p-doped H-passivated Si(111) with a thin film of an ionic liquid on top', J. Phys. Chem. C. 122 (2018) 5481-5488
  Borodin, Andriy; Borisenko, Natalia & Endres, Frank
  
• 'Time-resolved determination of the potential of zero charge at polycrystalline Au / ionic liquids interfaces', J. Chem. Phys. 148 (2018) 193820
  Vargas-Barbosa, Nella M. & Roling, Bernhard