Oberflächenchemie zwischen Graphen und ionischen Flüssigkeiten
Graphen, eine Einzellage aus Kohlenstoffatomen, ist aufgrund seiner großen Oberfläche und der hohen elektrischen Leitfähigkeit ein attraktives Elektrodenmaterial für Superkondensatoren. Auch ionische Flüssigkeiten sind aufgrund ihrer hohen elektrochemischen Stabilität hervorragende Kandidaten. Wie die ionischen Flüssigelektrolyte mit dem Kohlenstoffmaterial interagieren, ist jedoch weitgehend unbekannt. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts GRAPHIL wurde untersucht, wie Veränderungen in der Struktur von Elektrolyten in ionischen Flüssigkeiten die elektronische Struktur von Graphen beeinflussen können, was wiederum die Effizienz von Energiespeichern beeinflusst. „Um die Kapazität und Effizienz von Energiespeichersystemen zu steigern, ist es sehr wichtig zu erkennen, wie sich die geladenen Ionen und die Länge der an einem dieser Ionen befestigten Alkylkette an die Elektrodenoberfläche binden“, sagt Dr. Gangamallaiah Velpula. Bessere Materialien für die Energiespeicherung Elektrochemische Kondensatoren, auch Superkondensatoren oder Ultrakondensatoren genannt, speichern elektrische Energie durch reversible Adsorption von Ionen an der Oberfläche der Elektroden. Bei diesen Vorrichtungen bildet der Elektrolyt eine ionisch leitende Verbindung zwischen den beiden Elektroden. Unter den Kohlenstoffmaterialien hat Graphen potentiell die größte Oberfläche, was die spezifische Kapazität deutlich erhöhen kann. Wie Ionen (sowohl Anionen als auch Kationen) transportiert werden und mit den Graphenelektroden interagieren, ist allerdings schwer zu verstehen. Forscher von GRAPHIL haben grundlegende Einblicke in die detaillierte Struktur von Dünnschichten ionischer Flüssigkeiten, die in Kontakt mit Graphen und Graphit kommen, und wie diese die elektronische Struktur des Graphens beeinflussen, gegeben. Die Studie liefert den Wissenschaftlern Wissen darüber, wie sie geeignetere Materialien für Energiespeicher entwickeln können. Ionische Flüssigkeiten besitzen neben ihrem breiten elektrochemischen Spektrum hervorragende physikalisch-chemische Eigenschaften wie hohe thermische Stabilität und Unbrennbarkeit, weshalb sie sich als Elektrolyte für Akkus hervorragend eignen. „Thermische Instabilität bleibt eines der größten Risiken beim Einsatz von Lithium-Ionen-Akkus in Energiespeichern oder Fahrzeuganwendungen. Unerwünschte Reaktionen zwischen den Akkukomponenten und dem flüssigen organischen Elektrolyten führen zu einer exothermen Reaktion der Akkus, wodurch immer mehr Wärme entsteht, die schließlich zu Feuer oder Explosion führen kann“, erklärt Dr. Velpula. Nicht brennbare ionische Flüssigkeiten als Elektrolyte können helfen, Sicherheitsbedenken im Zusammenhang mit der Verwendung von Lithium-Ionen-Akkus zu überwinden. Anionengröße zählt Forscher mischten Graphen mit der ionischen Flüssigkeit, die negativ und positiv geladene Ionen enthält. Im ersten Fall wurde als Kation Imidazolium und als Anion das große und schwach assoziierende Bis(trifluormethylsulfonyl)imid (Tf2N) verwendet, im zweiten Fall das kleine und stark assoziierende Tetrafluoroborat (BF4). Mithilfe von Rasterkraftmikroskopie, Raman-Spektroskopie und molekularen Simulationen analysierte das Team die Dünnschichtbildung auf Graphen und Graphit und bewertete den Einfluss der Grenzflächenstruktur der ionischen Flüssigkeiten auf die elektronische Struktur des Graphens. Die Ergebnisse zeigten, dass die Anionengröße die molekulare Anordnung der flüssigen Kationen und Anionen auf der Graphenoberfläche verändern kann. Beispielsweise führt die kombinierte Verwendung von Tf2N und Imidazolium zur Adsorption an der Elektrodenoberfläche. In ionischen Flüssigkeiten, die BF4 enthalten, adsorbieren die beiden geladenen Teilchen dagegen eher an Graphen. Im Gegensatz zu Anionen spielen Kationen eine untergeordnete Rolle auf der ionischen flüssigen Nanostruktur an ihrer Grenzfläche zur Elektrode. Insbesondere die ionische Flüssigkeit, die nicht-aromatisches Pyrrolidiniumkation und Tf2N enthält, übte einen milden Einfluss auf die Grapheneigenschaften aus, insbesondere das Kation mit längeren Alkylketten. Dies ist auf eine Ladungsdelokalisation zurückzuführen, die bei Pyrrolidinium weniger häufig auftritt als bei Imidazolium. GRAPHILs grundlegende Informationen über die Oberflächenchemie zwischen Graphen und ionischen Flüssigkeiten werden bei der Entwicklung der Grenzflächenstruktur wertvoll sein, was wiederum die Effizienz von Energiespeichern beeinflusst.
Schlüsselbegriffe
GRAPHIL, Graphen, ionische Flüssigkeit, Energiespeicher, Anion, Kation, Superkondensator, Grenzfläche, Oberflächenchemie
