Phasengrenzen

Plasma in einer Vakuumkammer

Elektrochemische Phasengrenzen

Erneuerbare Energien tragen einen großen Teil zur Energiewende bei. Doch der Wind weht bzw. die Sonne scheint nicht unbedingt dann, wenn wir sie am dringendsten brauchen. Daher ist die Energiezwischenspeicherung von zentraler Bedeutung für den weiteren Ausbau. Elektrische Energie lässt sich am besten in Form von chemischen Brennstoffen wie z. B. Wasserstoff speichern, die bei Bedarf wieder in elektrische Energie zurückverwandelt werden können. Die erforderlichen elektrochemischen Prozesse die an Elektroden/Elektrolyt-Kontakten ablaufen sind aber noch nicht hinreichend aufgeklärt um preiswerte und serienreife Systeme entwickeln zu können.

Dies liegt zum einen daran, dass der Übergang von Elementarladungen aus der Elektrode auf Moleküle und Ionen in der Lösung sehr komplex ist und die dabei ablaufenden Zwischenschritte noch ungeklärt sind. Zum anderen sind die elementaren Ladungstransferprozesse am Elektrode/Elektrolyt-Kontakt der Forschung schwer zugänglich, weil die entscheidenden experimentellen und theoretischen Untersuchungsmethoden bisher nicht auf Flüssigkeiten angewendet werden konnten. Dies gilt insbesondere für die Oberflächenforschung unter Einsatz der Photoelektronenspektroskopie (PES) und für Simulationen mit der Dichtefunktionaltheorie (DFT). Auch kann die Dynamik der beweglichen Elektrolytbestandteile bisher nicht ausreichend erfasst werden.

Halbleiter/Elektrolyt-Grenzflächen

Im Rahmen der BMBF-Förderinitiative Innovative Elektrochemie mit neuen Materialien betreibt das JointLab Grundlagen elektrochemischer Phasengrenzen experimentelle (TU Darmstadt, FHI Berlin und HZB Berlin) und theoretische (Uni Ulm und CEC Mühlheim) Grundlagenforschung an Elektroden/Elektrolyt-Phasengrenzflächen für die Zwischenspeicherung von erneuerbaren Energien in Form von chemischen Brennstoffen. Im Teilvorhaben JointLab GEP-HE fokussiert sich die Oberflächenforschung der TU Darmstadt auf den Bereich der Halbleiter/Elektrolyt-Grenzflächen.

Die Grenzflächen zwischen Halbleitern und flüssigen Elektrolyten können photoelektronenspektroskopisch in unterschiedlichen Experimenten untersucht werden. Dabei stehen uns sowohl das DAISY-Fun als auch das SoLIAS am BESSY II zur Verfügung:

  • Adsorption Model: Adsorption und Koadsorption eines dünnen Elektrolytfilmes aus Lösungsmittel und redox-aktiven Spezies aus der Gasphase auf der gekühlten Probe mit anschließender Verflüssigung durch Erwärmen. So ist die Photoelektronenspektroskopie (PES) während des gesamten Prozesses möglich. Gewünschte als auch unerwünschte Ladungstransferreaktionen über die Phasengrenzschicht können verfolgt werden (DAISY-Fun und SoLIAS).
  • Frozen Electrolyte: Elektrochemische und photoelektrochemische Experimente bei Normaldruck und prozessgemäßer Temperatur mit anschließender Immersion unter Potentialkontrolle und Stabilisierung des flüssigen Films in der Messkammer durch moderate Kühlung. Die Grenzfläche wird vor und nach dem Durchführen der elektrochemischen Prozessierung spektroskopiert. Damit sind Reaktionsprodukte im Elektrolytfilm und, nach partieller Desorption durch Erwärmen auch Zwischenprodukte auf der Elektrodenoberfläche zugänglich (SoLIAS).
  • In/Post Operando: Die Phasengrenze soll zunächst im thermodynamischen Gleichgewicht, dann aber auch unter Belichtung und/oder angelegtem Potential unter Betriebsbedingungen sowohl „post operando“ als auch „in operando“ d. h. nach und während des Stromflusses bei anliegender Spannung analysiert werden.