Molekulare Einsicht in die elektrochemische Grenzfläche
Die elektrochemische Grenzfläche – die Struktur, die sich auf der Oberfläche eines Objekts bildet, wenn das Objekt mit einer Flüssigkeit in Kontakt kommt – spielt eine wichtige Rolle bei den elektrochemischen Verfahren an Grenzflächen wie Elektrokatalyse, Energiespeicherung und Korrosion. Um solche Verfahren zu verstehen und zu kontrollieren, braucht es mehr Wissen über die molekulare Struktur der Grenzflächen zwischen Flüssigkeiten und Feststoffen. Für ein besseres Verständnis dieser Grenzflächen auf molekularer Ebene haben Forschende teilweise mit Unterstützung der EU-finanzierten Projekte HMST-PC, AMPERE und MITICAT die Grenzflächen zwischen Platin- und Goldnanopartikeln und Wasser unter Einsatz der Nano-impact-Elektrochemie analysiert. Ihre Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie International Edition“ veröffentlicht.
Nutzung der Nano-impact-Elektrochemie
Die Nano-impact-Elektrochemie stellt eine leistungsstarke neue Methode dar, mit der Forschende physikochemische Informationen zu strukturellen Auswirkungen auf die Kapazität der elektrochemischen Grenzschicht erhalten können, ohne dass Artefakte durch Schichtporosität oder Zusatzstoffe entstehen. Die Kapazität der elektrochemischen Grenzschicht kommt auf, wenn eine Elektrode mit einer flüssigen Lösung in Kontakt kommt. Dabei entstehen zwei Schichten elektrischer Ladung mit entgegengesetzter Polarität, sodass Strom gespeichert werden kann. Diese Methode eröffnet neue Möglichkeiten in Bezug auf die Charakterisierung kolloidaler Nanopartikel. Nanopartikel verfügen über ein für viele Anwendungen vorteilhaftes Oberflächen-Volumen-Verhältnis. Doch die explizite Charakterisierung der Kapazität von elektrochemischen Grenzschichten ist für Nanopartikel kompliziert. In der Studie heißt es, dass Nanopartikel „für herkömmliche elektrochemische Messungen in komplette Elektroden verarbeitet werden müssen, wobei oft Zusatzstoffe zum Einsatz kommen und was zu Ensemblewirkungen und Unsicherheiten über die elektrochemische aktive Oberfläche führt.“ Die Nano-impact-Elektrochemie löst dieses Problem. „Um der Kapazität und den Umordnungsprozessen in der elektrochemischen Doppelschicht an Platin- und Goldnanopartikeln auf die Spur zu kommen, war es entscheidend, eine Methode zu entwickeln, mit der präzise Umladungsströme an individuellen Nanopartikeln in Lösung gemessen werden können“, berichtet die leitende Autorin der Studie, Prof. Dr. Kristina Tschulik von der Ruhr Universität Bochum in Deutschland, dem Projektträger von MITICAT, in einer Pressemitteilung auf „EurekAlert!“. Für ihre Untersuchungen verwendete das Forschungsteam kolloidale Nanopartikeldispersionen, in denen individuelle Nanopartikel fein verteilt in wässriger Lösung vorliegen und zufällig auf einer Mikroelektrode einschlagen. Mithilfe von computergestützten Molekulardynamiksimulationen konnte das Team Gemeinsamkeiten und Unterschiede spannungsabhängig gemessener kapazitiver Ströme verschiedener Arten von Nanopartikeldispersionen interpretieren. Die Berechnungen deuten an, dass die starke Wechselwirkung von Metall mit Wassermolekülen zu Wasserchemisorption führt sowie zu einer unerwartet hohen Ionenakkumulation, was dann wiederum zu einer höheren Speicherkapazität der Grenzfläche führt. „Die Speicherkapazität der Grenzfläche erhöht sich um etwa eine Größenordnung hinsichtlich der Prognosen basierend auf traditionellen Molekularfeldmodellen“, heißt es in der Studie. „Die hohe Kapazität der Platin- und Goldoberflächen wurde auf starke Wechselwirkungen zwischen der Metalloberfläche und der Wasserschicht zurückgeführt. Diese fördern die Wasserchemisorption und Ionenakkumulation an der Grenzfläche. Die geringere Kapazität bei Gold wird mit der schwächeren Bindung der Wasserschicht mit Gold im Gegensatz zu Platinoberflächen in Verbindung gebracht.“ Die Ergebnisse wurden mit Unterstützung der Projekte HMST-PC (Synthesis of Hybrid Metal-Semiconductor Tetrapod Photocatalysts for Improved Water Splitting), AMPERE (Accounting for Metallicity, Polarization of the Electrolyte, and Redox reactions in computational Electrochemistry) und MITICAT (Microfluidic Tuning of Individual Nanoparticles to Understand and Improve Electrocatalysis) erreicht und könnten die aktive Abstimmung von Wechselwirkungen zwischen Feststoff und Flüssigkeit sowie zwischen Flüssigkeiten durch die Wasserschicht ermöglichen. Damit könnten potenziell leistungsstärkere und nachhaltigere Technologien zur Energieumwandlung und -speicherung entwickelt werden. Weitere Informationen: HMST-PC-Projekt AMPERE-Projektwebsite MITICAT-Projekt
Schlüsselbegriffe
HMST-PC, AMPERE, MITICAT, Nanopartikel, elektrochemische Grenzfläche, Wasserschicht, Gold, Platin, Kapazität
