Energiespeicherfähigkeit, wo Wasser auf Metall trifft

Obwohl Gren­zflächen zwis­chen Met­allen und Wass­er die lokalen Bere­iche sind, wo entschei­dende Vorgänge von Energi­etech­nolo­gien wie Wasserspal­tung ablaufen, ist bish­er nur wenig über ihren Auf­bau und Verän­derun­gen während solch­er Prozesse bekan­nt. Die wis­senschaftliche Beschrei­bung solch­er Gren­zflächen wird seit über 100 Jahren vom Mod­ell der soge­nan­nten elek­tro­chemis­chen Dop­pelschicht geprägt. Es besagt, dass sich Ladungsträger ein­er wäss­ri­gen Lösung ver­mehrt im Grenzbere­ich zum Met­all anord­nen, um über­schüs­sige elek­trische Ladun­gen auf der Met­all­seite auszu­gle­ichen. Dabei wer­den die ent­ge­genge­set­zten Ladun­gen durch Wasser­moleküle getren­nt. Ähn­lich zu einem tech­nis­chen Plat­tenkon­den­sator kann durch diese nanoskopis­che Ladungstren­nung in der Gren­zfläche Energie gespe­ichert und später wieder abgerufen wer­den. Vorgänge, bei denen sich der moleku­lare Auf­bau der elek­tro­chemis­chen Dop­pelschicht verän­dert, sind für viele grüne Tech­nolo­gien, wie zum Beispiel Superkon­den­satoren und Brennstof­fzellen, relevant.

Tausendmal kleiner als der Durchmesser eines Haars

Für solche tech­nis­chen Anwen­dun­gen wer­den ver­stärkt Nanopar­tikel unter­sucht, welche tausend­mal klein­er sind als der Durchmess­er eines men­schlichen Haars. Wegen ihres vorteil­haften Ver­hält­niss­es von prozess­rel­e­van­ter Ober­fläche zu Vol­u­men bieten sie hier­für beson­ders gute Voraus­set­zun­gen. „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 Kristi­na Tschu­lik. Son­st wäre es nicht möglich, Effek­te, die mit der Dop­pelschicht zusam­men­hän­gen, von Effek­ten zu unter­schei­den, die durch das Zusam­men­wirken von Nanopar­tikeln entste­hen, wie sie zu Mil­liar­den auf ein­er herkömm­lichen Elek­trode vorliegen.
Die vom Deutschen Akademis­chen Aus­lands­di­enst geförderte iranis­che Wis­senschaft­lerin Dr. Mah­naz Azimzadeh Sani ver­wen­dete soge­nan­nte kol­loidale Nanopar­tikeld­is­per­sio­nen. Dort liegen Nanopar­tikel voneinan­der getren­nt und fein verteilt in wäss­riger Lösung vor und schla­gen zufäl­lig hin und wieder auf ein­er unter Span­nung ste­hen­den Mikroelek­trode ein. Mith­il­fe von com­put­ergestützten Moleku­lar­dy­namik­sim­u­la­tio­nen, an denen Forschende der RUB sowie der Uni­ver­sité Paris-Saclay und Sor­bonne Uni­ver­sité in Paris arbeit­eten, kon­nten Gemein­samkeit­en und Unter­schiede span­nungsab­hängig gemessen­er kapaz­i­tiv­er Ströme ver­schieden­er Arten von Nanopar­tikeld­is­per­sio­nen inter­pretiert werden.
Die uner­wartet hohen Kapaz­itäten wer­den auf gelöste geladene Teilchen zurück­ge­führt, die sich ver­mehrt in Zwis­chen­räu­men von ein­er kom­pak­ten an Platin (und schwäch­er an Gold) gebun­de­nen Wasser­schicht und ein­er angren­zen­den Wasser­schicht ander­er Anord­nung ansammeln.In Zukun­ft wollen die RUB-Wis­senschaft­lerin­nen her­aus­find­en, ob und warum der Dop­pelschich­tauf­bau an großen, aus vie­len Nanopar­tikeln beste­hen­den Elek­tro­den anders ist, um die gewon­nen Erken­nt­nisse tech­nisch nutzbar zu machen.

„Weit­er­hin wer­den Wasser­moleküle von der Met­al­lober­fläche abgelöst, wenn neg­a­ti­vere Span­nung angelegt wird.“
— Dr. Julia Lin­ne­mann, Teamleiterin