Elektrochemische Doppelschichten in Nanostrukturen

• Antragsteller: Professor Dr. Wolfgang Schmickler
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 284363025

In diesem Projekt wollen wir die theoretischen Grundlagen zum Verständnis der elektrochemischen Doppelschicht in Nanostrukturen legen. Während des ersten Teils dieses Projektes haben wir einzelne Ionen und Ionenpaare in Gold- und Kohlenstoff-Nanoröhrenmit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie (DFT) untersucht. Alkali- und Halogen-Atome wurden in diesen Röhren spontan ionisiert; die Ladung ging auf die Wand der Röhre über und bildete dort die Bildladung. Die elektrostatische Wechselwirkung von Ionen in den Röhren wird durch die Bildladung abgeschirmt und kann durch einen effektiven Bild-Radius der Röhre charakterisiert werden. Dies ermöglicht es uns, die Wechselwirkung auf Ensembles von Ionen in Nanoröhren zu übertragen, die wir mit statistischer Mechanik und mit Monte-Carlo Simulationen im groß-kanonischen Ensemble untersuchten.In der ersten Periode veröffentlichten wir sechs Artikel, einer davon ist ein eingeladenes Kapitel eines Buches. Das erstaunlichste Ergebnis ist eine effektive Anziehung zwischen zwei Lithium-Ionen, von denen sich eins im Innern, das andere ausserhalb einer halbleitenden Kohlenstoffröhre befindet. Dies könnte die experimentell beobachtete Anziehung von Li-Ionen erklären in Lithium-Ionen-Batterien erklären. Die Erforschung dieses Effekts wird einer der Schwerpunkte der zweiten Periode bilden; wir haben dafür schon eine Arbeitshypothese.Ansonsten folgen wir weiter unserem ursprünglichen Arbeitsplan und wenden uns größeren und komplizierteren Systemen zu. So werden wir von ein-dimensionalen Systemen zu zwei-dimensionalen fortschreiten und schließlich Nanoschlitze mit einer endlichen Dicke untersuchen, um den Einfluss der Geometrie auf die Eigenschaften des eingeschlossenen Elektrolyten zu erkunden. Zudem werden wir die Solvatisierung von Ionen in Nanostrukturen untersuchen, einschließlich ihres Transports. Ein weiteres Themaist der Einfluss von Dotierung auf das Abschirmverhalten von Nanoröhren, welches die Kapazität der Röhren bestimmt.Unser Ziel ist es, die grundlegenden Eigenschaften dieser Nanosysteme und die Wechselwirkungen der verschiedenen Teilchen mit DFT zu berechnen und auf dieser Basis Modelle für Ensembles von Teilchen zu entwickeln. Diese werden in der großkanonischen Gesamtheit behandelt, so dass sowohl das Elektrodenpotential als auch die Ladung wohldefiniert sind.Wir kooperieren mit zwei experimentellen Gruppen: mit Prof. Kaiser aus Ulm, die Kohlenstoffstrukturen mit Mitteln der höchstauflösenden Elektronen-Transmissions-Spektroskopie untersucht, und mit Prof. Unwin, Warwick, der elektrochemische Prozesse mit nanoskaliger Auflösung untersucht.Wir interessieren uns vor allem für die grundlegenden Eigenschaften dieser Nanosysteme: die Verteilung der Teilchen und des elektrostatischen Potentials, für die Ladungsspeicherung, für ihr Gleichgewicht mit makroskopischen Elektrolyten. Die Systeme, die wir untersuchen, können in Superkondensatoren und in Lithiumionen-Batterien verwendet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen