Charakterisierung der molekularen Diffusion in Elektrolytsystemen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Andreas Paul Fröba
• Fachliche Zuordnung: Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 460790884

Das beantragte Forschungsprojekt soll einen Beitrag zum grundlegenden Verständnis des diffusiven Massentransports in Elektrolytsystemen leisten. Mittels Dynamischer Lichtstreuung (DLS) und molekulardynamischer Gleichgewichtssimulation (MGS) wird hierzu der diffusive Massentransport in systematisch ausgewählten Systemen charakterisiert. Da in Elektrolyten neben der molekularen Diffusion auch die Diffusion von Molekülverbänden auftreten kann, soll durch simultanen Einsatz der Raman-Spektroskopie mit DLS und Kombination mit MGS die Entstehung solcher Cluster und deren Einfluss auf die molekulare Diffusion untersucht werden. Zur Bestimmung von Diffusionskoeffizienten werden bei DLS mikroskopische Konzentrationsfluktuationen in Fluiden im makroskopischen thermodynamischen Gleichgewicht analysiert. Das zeitliche Verhalten dieser Fluktuationen wird durch den molekularen Diffusionskoeffizienten und den translatorischen Diffusionskoeffizienten der Molekülverbände bestimmt. Mit MGS können durch die Analyse von Fluktuationen im Nanometerbereich molekulare Diffusionskoeffizienten berechnet werden. Dabei wird der Maxwell-Stefan-Diffusionskoeffizient mit dem thermodynamischen Faktor kombiniert, um Zugang zu den per DLS gemessenen Fickschen Diffusionskoeffizienten zu erhalten. Darüber hinaus ermöglichen MGS die Bewertung des Einflusses der in Elektrolyten stark ausgeprägten weitreichenden elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen Molekülen auf die Diffusion. Neben der Verifizierung der MGS durch DLS erlaubt die Kombination aus Experiment und Simulation einen Einblick in die Fluidstruktur. Daher soll zunächst ein flexibler Versuchsaufbau entwickelt werden, der DLS und Raman-Spektroskopie vereint und die simultane Untersuchung von Diffusionskoeffizienten auf verschiedenen Zeitskalen ermöglicht. Um ein möglichst umfassendes Verständnis des diffusiven Massentransportes zu erlangen, sollen ausgewählte Kombinationen von Salzen, einschließlich ionischer Flüssigkeiten, und organischen Lösungsmitteln über weite Temperatur- und Konzentrationsbereiche mit den gewählten Methoden untersucht werden. Durch systematische Variation von Molekülen unterschiedlicher Art und Größe ist der Einfluss der physikalischen Eigenschaften auf den Diffusionsprozess zu analysieren. Neben binären Gemischen mit drei Spezies, für welche die molekulare Diffusion durch einen einzigen Diffusionskoeffizienten beschrieben wird, sollen die Untersuchungen in diesem Forschungsprojekt auf Systeme mit vier Spezies ausgedehnt werden, die mit einer 2x2-Matrix aus Diffusionskoeffizienten assoziiert sind. Die aus DLS und MGS entstehende zuverlässige Datenbasis an Diffusionskoeffizienten in Elektrolyten und die weiteren Erkenntnisse aus den verwendeten Methoden sollen zur Entwicklung eines Vorhersagemodells für molekulare Diffusionskoeffizienten in Elektrolyten beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen