Charakterisierung einzelner Polymer-Nanopartikel via Impact Voltammetrie
Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Aufgrund ihrer vielfältigen Anwendungen in der Forschung und der Industrie haben Nanomaterialien in den letzten zwei Jahrzehnten eine große technologische Wichtigkeit erlangt. Unter anderem finden leitende Polymer-Nanopartikel (NPs) ein besonderes Interesse in Polymerbatterien und Solarzellen. Der Ladungstransfer ist der zentrale Prozess, der dem Aufladen bzw. Dotieren von Polymer-NPs zugrunde liegt. Dieser Prozess umfasst die Aufnahme und Freigabe von Ionen aus dem Polymer und wird in der Regel mit elektrochemischen Ensemble-Methoden untersucht, das heißt an Elektroden die auf der eine Vielzahl der zu untersuchenden NPs immobilisiert ist. Ein mechanistisches Verständnis der zugrundeliegenden Prozessschritte durch Ensemblestudien zu erlangen ist jedoch schwierig, da sich Ladungstransfer- und Massentransportvorgänge überlappen und daher oft nur Mutmaßungen möglich sind. Darüber hinaus kann diese Methode irreführend sein, da Partikel häufig an der Elektrode agglomerieren, so dass nur ein Teil der Oberfläche der Partikel zugänglich ist oder nicht alle Partikel elektrisch kontaktiert sind. Daher ist die Untersuchung des intrinsischen Verhaltens auf der Einzelpartikelebene erforderlich, um beispielsweise die Aufladungs- und Ioneninterkalationsprozesse in wiederaufladbaren Polymerbatterien zu verstehen. Dies kann durch die Einzelnanopartikel-Impact-Elektrochemie erreicht werden. In diesem Projekt wurde zum ersten Mal demonstriert, wie die Ladung/Dotierung einzelner Polymerpartikel, wie z.B. von Polypyrrol NPs (PPy NPs), mit dieser "Nanoimpact-Methode" quantifiziert werden kann. PPy NPs wurden erfolgreich synthetisiert und mittels UV-Vis, FTIR, DLS und SEM charakterisiert. Zum Vergleich wurde das Dotierungs-Verhalten an Ensembles von PPy NPs mit Cyclovoltammetrie untersucht. Darüber hinaus wurde der Einfluss des Dotierstoffs auf die Dotierungskinetik untersucht, und es wurden unterschiedliche rgeschwindigskeitslimitierende Prozesse in Perchlorat und in Natriumdodecylsulfat nachgewiesen. Durch Kombination der Nanoimpact- Ergebnisse mit unabhängigen Daten zur Partikelgröße zeigt sich, dass das ganze Partikel nach dem Impaktansatz dotiert wird, im Vergleich zu nur 1% Dotierungsausbeute bei der Ensemble-Methode. Neuartig an diesem Ansatz ist auch, dass die intrinsische Kinetik der Dotierung einzelner PPy-Partikel zugänglich wurde, und es wurde festgestellt, dass der geschwindigkeitsbestimmende Schritt im Dotierungsprozess der Ladungstransfer zwischen der Elektrode und den Partikeln ist. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass die ursprünglichen Ziele des Projekts vollständig erfüllt wurden. Diese Arbeit liefert neue Erkenntnisse über die Aufladung von leitfähigen Polymeren auf der Einzelpartikel-Ebene und es wird erwartet, dass sie einen wesentlichen Beitrag zu neuen Anwendungen wie z.B. Polymerbatterien oder Superkondensatoren liefern könnte.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Electrochemical Behavior of Single CuO Nanoparticles: Implications for the Assessment of their Environmental Fate, Small, 2018, 14, 1801765
Giorgia Zampardi, Jorg Thöming, Hendrik Naatz, Hatem M. A. Amin, Suman Pokhrel, Lutz Mädler and Richard G. Compton
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Understanding gold nanoparticle dissolution in cyanide-containing solution via impact-chemistry, Phys.Chem.Chem. Phys. 2018, 20, 28300
Alex. L. Suherman, Giorgia Zampardi, Sabine Kuss, Eden E.L. Tanner, Hatem M.A. Amin, Neil P. Young and Richard G. Compton
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Tannic acid capped gold nanoparticles: capping agent chemistry controls the redox activity, Phys.Chem.Chem.Phys. 2019, 21, 4444
Alex. L. Suherman, Giorgia Zampardi, Hatem M.A. Amin, Neil P. Young and Richard G. Compton
