In situ NMR-spektroskopische Untersuchungen zu Mechanismen der Ionenadsorption an nanoporösen Kohlenstoffmodellmaterialien

• Antragsteller: Professor Dr. Eike Brunner; Professor Dr. Stefan Kaskel
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 321089049

Nanoporöse Kohlenstoffmaterialien gewinnen aufgrund ihrer ausgezeichneten Materialeigenschaften wie hoher elektrischer Leitfähigkeit, chemischer und thermischer Stabilität sowie vor allem wegen der hohen für Elektrolytmoleküle zugänglichen Oberflächen immer mehr an Bedeutung zur elektrochemischen Energiespeicherung. Zum Verständnis der molekularen Prozesse in Batterie- und Elektrodenmaterialien tragen NMR-spektroskopische Methoden sehr wesentlich bei. Dabei geht es neben der spektroskopischen Charakterisierung der Materialeigenschaften insbesondere um die Untersuchung der Wechselwirkung dieser Materialien mit Elektrolytmolekülen. Dies geschieht inzwischen auch mittels in situ NMR-Spektroskopie an geladenen Elektroden/Superkondensatoren. Im Rahmen des vorliegenden Projektes werden wohldefinierte, idealisierte Modellmaterialien mit typisierten Porengrößenverteilungen und Oberflächenfunktionalisierungen synthetisiert, um charakteristische NMR-Signaturen adsorbierter Ionen zu identifizieren. In Kombination mit innovativen in situ Messtechniken können somit detaillierte mechanistische Aussagen über die bei der Elektroadsorption ablaufenden molekularen Prozesse getroffen werden. Die geplanten Untersuchungen umfassen: (i) Die Herstellung und Charakterisierung geeigneter Modellmaterialien mit definiertem Porensystem und gezielt eingebrachter Oberflächenfunktionalität (z.B. Kohlenstoffmaterialien mit mono- oder multimodaler Porenstruktur, mit und ohne polare Oberflächenfunktionalisierung). (ii) Die Festkörper-NMR-spektroskopische Charakterisierung der Wechselwirkungen zwischen der Oberfläche des Elektrodenmaterials und der Elektrolytmoleküle. Diese Untersuchungen erfolgen in An- und Abwesenheit eines elektrischen Feldes, um den Einfluss des Ladungszustandes auf die Elektrolytteilchen zu charakterisieren. (iii) Die Analyse der Porenfüllungsmechanismen (Adsorptionsisothermen) mittels quantitativer Flüssigkeits-NMR-Spektroskopie. Zudem sollen Informationen zur Dynamik und Adsorptionskinetik gewonnen werden. Das Verständnis dieser molekularen Mechanismen wird dazu beitragen, rationale Designprinzipien zur Herstellung verbesserter Elektroden für Superkondensatoren und andere elektrochemische Energiespeicher zu erarbeiten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen