In situ NMR-spektroskopische Untersuchungen zu Mechanismen der lonenadsorption an nanoporösen Kohlenstoffmodellmaterialien
Laufzeit: August 2016 - Juli 2019
In den letzten Jahren gewannen nanoporöse Kohlenstoffmaterialien aufgrund ihrer ausgezeichneten Materialeigenschaften wie hoher elektrischer Leitfähigkeit, chemischer und thermischer Stabilität sowie vor allem der hohen für Elektrolytmoleküle zugänglichen Oberflächen eine ständig wachsende Bedeutung für die elektrochemische Energiespeicherung. Zum Verständnis der molekularen Prozesse in Batterie- und Elektrodenmaterialien tragen NMR-spektroskopische Methoden sehr wesentlich bei. Dabei geht es neben der spektroskopischen Charakterisierung der Materialeigenschaften insbesondere um die Untersuchung der Wechselwirkung dieser Materialien mit Elektrolytmolekülen. Dies geschieht mittels in situ-NMR-Spektroskopie inzwischen auch in Anwesenheit von elektrischen Feldern.
Im Rahmen dieses DFG-Projektes werden idealisierte Modellmaterialien mit maßgeschneiderten Porengrößen und Oberflächenfunktionalisierungen verwendet. In Kombination mit innovativen in situ-Messtechniken können somit detaillierte mechanistische Aussagen über die bei der Elektroadsorption ablaufenden molekularen Prozesse getroffen werden. Die Untersuchungen umfassen: (i) Die Herstellung und Charakterisierung definierter Modellmaterialien mit definiertem Porensystem und gezielt eingebrachter Oberflächenfunktionalität (z.B. Kohlenstoffmaterialien mit mono- oder multimodaler Porenstruktur, mit und ohne polarer Oberflächenfunktionalisierung). (ii) Die Festkörper-NMR-spektroskopische Charakterisierung der Wechselwirkungen zwischen der Oberfläche des Elektrodenmaterials und der Elektrolytmoleküle. Diese Untersuchungen erfolgen in An- und Abwesenheit eines elektrischen Feldes, um den Einfluss des Ladungszustandes auf die Elektrolytteilchen zu charakterisieren. (iii) Die Analyse der Porenfüllungsmechanismen (Adsorptionsisothermen) mittels quantitativer Flüssigkeits-NMR-Spektroskopie.
Das Verständnis dieser molekularen Mechanismen wird dazu beitragen „Designprinzipien“ zur Herstellung optimierter Elektroden für Superkondensatoren und andere elektrochemischer Energiespeicher zu erarbeiten.
