Unerwartete Energiespeicherfähigkeit, wo Wasser auf Metall trifft

Forschende des Exzellenzclusters RESOLV an der Ruhr-Universität Bochum (RUB) haben mit Strom- und Spannungsmessungen an einzelnen Nanopartikeln ermittelt, dass die kapazitiv gespeicherte Ladung an Platingrenzflächen deutlich höher sein kann als bisher angenommen. Dies führen sie auf eine spezielle Anordnung und Bindung von Wassermolekülen zurück. Dazu kooperierte das internationale Team um Prof. Dr. Kristina Tschulik, deren Ideen 2020 mit einer ERC-Starting-Grant-Förderung des Europäischen Forschungsrates ausgezeichnet wurden, mit Partnern aus Frankreich und Israel.

Die Ergebnisse beschreiben die Autoren in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“ – online, veröffentlicht am 19. Dezember 2021.

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

Förderung

Diese Arbeiten wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft innerhalb des Exzellenzclusters RESOLV EXC 2033 – Projektnummer 390677874 gefördert. Weitere finanzielle Unterstützung wurde u. a. von der Europäischen Union im Rahmen des ERC-Starting-Grant MitiCat (Projektnummer 949724), der Stiftung Mercator (Projektnummer 18032) und dem Deutschen Akademischen Austauschdienst (DAAD) erhalten.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Kristina Tschulik
Elektrochemie & Nanoskalige Materialien
Fakultät für Chemie und Biochemie
Ruhr-Universität Bochum
Tel: +49 234 32 29433
E-Mail: nanoec@rub.de

Originalpublikation:

Kristina Tschulik et al.: Unexpectedly high capacitance of the metal nanoparticle/water interface: Molecular-level insights into the electrical double layer, in: Angewandte Chemie International Edition, 2021, DOI: 10.1002/anie.202112679

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