Realraumabbildung der Solvatisierung an Grenzflächen - von Solvatomeren bis zu geschlossenen Schichten

• Antragstellerin: Professorin Dr. Karina Morgenstern
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 539144631

Ziel des vorgeschlagenen Projekts ist ein mikroskopisches Bild der Ionensolvatisierung und ihrer Auswirkung auf die Bildung größerer Wasserstrukturen, indem die Solvatisierung von Alkali- und Erdalkaliadsorbaten auf einkristallinen Metalloberflächen mithilfe der Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskopie (TT-RTM) auf molekularer Ebene untersucht wird. Obwohl die spektroskopische und mikroskopische Untersuchung der Wechselwirkung von Ionen mit Wassermolekülen auf Metalloberflächen fällt in den Bereich der Grundlagenforschung, gewinnen technologische Aspekte des grundlegenden Verständnisses solcher Hybridschnittstellen seit einiger Zeit in der Elektrochemie, in Brennstoffzellen sowie in Batterie- und anderen Energiegewinnungsgeräten an Bedeutung. In dem vorgeschlagenen Forschungsprogramm wird eine Grenzfläche von zusammen mit Wasser koadsorbierten Alkali- und Erdalkalimetallen auf einer Au (111)-Oberfläche strukturell mittels LT-STM untersucht. Konkret wird der strukturelle Einfluss einer Reihe unterschiedlich großer Alkaliionen, Li+, Na+, Rb+, Cs+, und zweier Erdalkaliionen unterschiedlicher Größe, Mg2+ und Ba2+ auf koadsorbiertes D2O untersucht. Primär wird anhand der solvatisierte Ionen auf Au(111), der am wenigsten reaktiven Übergangsmetalloberfläche, demonstriert, wie ein molekulares Verständnis der Solvathüllen in Kontakt mit einer Oberfläche auf atomarer Ebene erlangt werden kann. Au(111) ist die prototypische Oberfläche der Elektrokatalyse und bildet ein ideales Modellsystem zur Untersuchung der Solvatisierung von Ionen. Vachteilig ist deren Oberflächenrekonstruktion, die sogenannte Fischgräten-Rekonstruktion, die eine Vielzahl unterschiedlicher Adsorptionsplätze, fcc, hcp, Domänengrenzen und Ellbogenplätze bietet. Obwohl ein gravierender Einfluss der unterschiedlichen Adsorptionsplätze auf die Solvatomeren nicht zu erwarten ist, vielleicht mit Ausnahme der Ellbogenplätze, werden ausgewählte Systeme auf der nicht rekonstruierten Oberfläche Cu(111) verglichen, die als reaktivere Übergangsmetalloberfläche seit kurzem als Modellsystem für die Dynamik der Deionisierung von Ionen und Solvatatomen verwendet wird. Das Hauptziel der Arbeit besteht darin, die oberflächengestützten Solvatomere genau zu charakterisieren und zu bestimmen, wie die Größe und der Ladungszustand der Ionen die Wechselwirkungen und ihr Zusammenspiel beeinflussen, sowie die Struktur größerer Wasserstrukturen beeinflusst. Es handelt sich um die erste experimentelle Studie, die die Informationen über Solvathüllen an Metallgrenzflächen auf atomarer Ebene liefert, die für das Verständnis des Einflusses der Ionen auf die Reaktivität an Grenzflächen wesentlich sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen