Wässrige Elektrolyte in nanoporösen Medien: Struktur, Dynamik und elektrochemomechanische Aktuation

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Fröba; Professor Dr. Patrick Huber
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 509293944

Eine Elektrolytlösung in der Nähe einer geladenen festen Oberfläche bildet eine elektrische Doppelschicht (EDL). Während die Theorie der EDL seit den 1850er Jahren bekannt ist, ist ihre Struktur und Dynamik in der beschränkten Geometrie von nanoporösen Medien viel weniger erforscht. Dort können die starken Grenzflächenkrümmungen und überlappende EDLs von gegenüberliegenden Grenzflächen zu deutlichen Eigenschaftsveränderung im Vergleich zu planaren Geometrien führen. Darüber hinaus kann die EDL-Bildung zu Änderungen von mechanischen Grenzflächenspannungen auf der Einzelporenebene und damit zu einer makroskopischen Materialdeformation führen. In diesem Projekt soll diese elektrochemo-mechanische Aktuation in Bezug gesetzt werden zur Struktur und Dynamik der EDL für wässrige Elektrolyte in nanoporösen Kohlenstoffen. Dazu werden Experimente und molekulare Simulation von der nanoskopischen Einzelporenebene bis zur makroskopischen Skala des porösen Mediums kombiniert.Wir werden elektrisch leitende nanoporöse Kohlenstoffe mit hoher spezifischer Oberfläche, definierten Porengrößen (1-10 nm) und Porengeometrien synthetisieren. Dies ermöglicht eine Feinabstimmung der Wirkung der Grenzflächenregion im Vergleich zum restlichen Porenvolumen. Durch das Hinzufügen von Heteroatomen in die Kohlenstoffstruktur und die Kontrolle der Defektkonzentrationen werden unterschiedliche Oberflächenchemien (hydrophob vs. hydrophil) eingeführt. In Abhängigkeit von der angelegten elektrischen Spannung zwischen Elektrolyt und Festkörper, der Oberflächenchemie und dem Porendurchmesser wollen wir die EDL-Bildung und die mechanische Aktuorik im Material untersuchen. Wir werden uns auf wässrige Lösungen von einfachen Salzen konzentrieren und die Rolle der Salzkonzentration neben anderen Parametern untersuchen. Wir werden synchrotronbasierte Röntgenstreuung einsetzen, um die EDL in-operando zu untersuchen, mit besonderem Augenmerk auf die Lade-/Entlade- und damit Ionentransportkinetik. Wir werden Molekulardynamiksimulationen verwenden, um die strukturellen Eigenschaften der Oberfläche des nanoporösen Mediums und des Elektrolyten darzustellen. Dies soll es uns ermöglichen, die strukturellen, thermodynamischen und Transporteigenschaften des geoemtrisch beschränkten Elektrolyten abzuleiten und mit den experimentellen Ergebnissen in Beziehung zu setzen, sowohl im Hinblick auf die elektrochemo-mechanischen Kopplungen als auch auf die Ladungskapazitäten auf der Skala der Einzelpore und des porösen Mediums.Neben diesen grundlegenden Erkenntnissen über wässrige Elektrolyte in geometrischer Beschränken liefern diese Studien die Basis für Superkondensatoren mit grünen, wasserbasierten Elektrolyten. Sie werden auch zur Entwicklung von Materialien für elektromechanische Aktoren beitragen, die auf neuartigen Antriebsprinzipien beruhen, wobei die üblichen piezokeramischen Systeme, die überwiegend umweltgefährliche Materialien, wie z. B. Blei enthalten, vermieden werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Partnerorganisation: National Science Foundation (NSF)
• Kooperationspartner: Professor Dr. Gennady Gor