Erforschung der Strukturbildung und Abschirmung in ionischen Lösungen und elektrischen Doppelschichten mittels Dichtefunktionaltheorie für zukunftsfähige kapazitive Technologien

• Antragsteller: Dr. Andreas Härtel
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 406121234

Der nachhaltige Umgang mit Wasser und die Erzeugung erneuerbarer Energien sind Herausforderungen, die sich uns zu Beginn des 21. Jahrhunderts stellen. Zukunftsweisende Lösungen sind Technologien, die auf den Eigenschaften ionischer Lösungen und elektrischer Doppelschichten (EDL) basieren. EDLs enstehen an den Grenzflächen zwischen Elektrode und Elektrolyt, wenn ionische Flüssigkeiten und (poröse) Elektroden kombiniert werden. Die Physik dieser Systeme und ihre große elektrische Kapazität qualifizieren sie für die Speicherung und Umwandlung von Energie und für Entsalzung. In unserem Projekt werden wir eine neue Theorie entwickeln um unser Wissen über die Eigenschaften ionischer Systeme zu vervollständigen. Wir werden strukturelle Übergänge und die Abschirmung elektrischer Kräfte studieren, welche nicht nur in kapazitiven Technologien sondern auch in Bereichen wie Chemie (Kolloide) und Biologie (Ionenkanäle, DNA) Anwendung finden. Um unser Ziel zu erreichen werden wir klassische Dichtefunktionaltheorie (DFT) im Rahmen mikroskopischer statistischer Physik verwenden. Insbesondere werden wir (i) eine Lösung für das seit langem bestehende Problem der Kombination von punktförmigen Ladungen und körperlich harter Abstoßung in einfachen Modellen von Ionen entwickeln. Die korrekte Kombination dieser Wechselwirkungen ist die Voraussetzung für die theoretische Beschreibung von Strukturübergängen in EDLs und um die daraus resultierende anomale Kapazität EDL-basierter Elektroden zu verstehen. Weiter werden wir (ii) einen neuen Ansatz für die explizite Beschreibung von Lösungsmittelteilchen in Elektrolyten und für die Modellierung effektiver Wechselwirkungen in DFT entwickeln. Auf der Grundlage dieses theoretischen Ansatzes werden wir die ionische Hydratation und den Einfluss dipolarer Lösungsmoleküle untersuchen, welche als Schlüssel zur Beschreibung eines kürzlich experimentell gemessenen und bislang unerklärten Anstieges der Abschirmlänge in ionischen Lösungen angenommen werden. Unsere Forschung wird auf umfangreichen numerischen Berechnungen basieren. Zu diesem Zweck werden wir das Softwarepaket capDFT entwickeln, welches wir öffentlich zur Verfügung stellen werden damit es, insbesondere in angewandter Forschung und Technik, als Modellierungssoftware verwendet werden kann. Kooperationen mit führenden Wissenschaftlern und die Teilnahme an Konferenzen werden dabei helfen unsere Forschungsergebnisse zu verbreiten und unser wissenschaftliches Netzwerk auszubauen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Großbritannien, Niederlande, USA
• Kooperationspartner: Professor Dr. Dirk Gillespie; Dr. Alpha Lee; Professor Dr. René van Roij; Dr. Sela Samin