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