EDL-Ladedynamik einer Nanopore

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Untersuchung der elektrischen Doppelschichtladung in einzelnen Nanoschlitzen

Forscher um Philip Pincus der University of California und Jacob Klein vom Weizmann-Institut, Israel, haben die Ladedynamik einer einzelnen Nanopore gemessen und die Ergebnisse am 11.10.2018 in Nature Communications veröffentlicht. In ihrer Arbeit maßen die Autoren direkt die elektrische Doppelschichtladung in einzelnen Nanoschlitzen, die zwischen Gold- und Glimmeroberflächen in einer Oberflächenkraftbilanz gebildet werden.

Mesoporöse Elektroden (Porenweite < 1 µm) sind eine zentrale Komponente in elektrochemischen Energiespeichern und verwandten Technologien, basierend auf der Kapazitätsbeschaffenheit von elektrischen Doppelschichten an ihren Oberflächen. Das setzt voraus, dass eine solche Ladung, begrenzt durch den Ionentransport innerhalb der Poren, über die Betriebszeit des Gerätes erreicht wird. In ihrer Arbeit maßen die Autoren direkt die elektrische Doppelschichtladung in einzelnen Nanoschlitzen, die zwischen Gold- und Glimmeroberflächen in einer Oberflächenkraftbilanz gebildet werden, indem sie transiente Oberflächenkräfte als Reaktion auf ein angelegtes elektrisches Potential überwachten. Sie stellten fest, dass die Ladezeit für Nanolöcher in der Größenordnung von 1 s liegt (weitaus langsamer als die Zeit der Größenordnung von 3 × 10-2 s, die für das Laden einer unbegrenzten Oberfläche in der Konfiguration der Autoren charakteristisch ist), wobei sie bei kleinerer Schlitzdicke zunimmt und bei Lösungs-Ionenkonzentration abnimmt. Die Ergebnisse ermöglichten es, die Ladedynamik von Nanoporen kritisch zu untersuchen und aufzuzeigen, wie eine solche Ladung unter verschiedenen Bedingungen und in wässriger Umgebung getestet werden kann.

Leitfähige Materialien mit einem großen Oberflächen-Volumen-Verhältnis, wie mesoporöse Elektroden (Porenbreiten <1 µm), sind in einer Reihe von Technologien wichtig. Herausragend sind Superkondensatoren, aber auch Batterien, Brennstoffzellen und Elektrokatalysatoren, während neue Anwendungen die kapazitive Deionisierung und die Gewinnung Erneuerbarer Energien durch kapazitives Mischen von wässrigen Lösungen unterschiedlicher Salzkonzentrationen umfassen. Die Ladung wird in Superkondensatoren gespeichert, wenn Elektrolytionen (kapazitive) elektrische Doppelschichten (electrical double layers – EDLs) an der Oberfläche von entgegengesetzt geladenen Elektroden unter einer extern angelegten Spannung bilden. Da die gespeicherte Ladungsmenge proportional zur verfügbaren Elektrodenfläche ist, sind Materialien mit einer hohen spezifischen Fläche (z.B. poröse Elektroden) eindeutig von Vorteil; sie sind aber nur dann voll nutzbar, wenn der Ionentransport die Gleichgewichts-EDL-Bildung über die gesamte Pore innerhalb der jeweiligen Lade-/Entladungszeit ermöglicht. Es ist daher entscheidend, die Dynamik der EDL-Bildung innerhalb von Nanoporen charakterisieren und verstehen zu können.

Die Wissenschaftler verwendeten eine Oberflächenkraftbilanz (surface force balance – SFB), um experimentell die Ladedynamik einer EDL zu untersuchen, die sich auf einen Nanoschlitz zwischen zwei Oberflächen beschränkt, als Reaktion auf eine Stufenänderung des Oberflächenpotenzials (oder der Ladung) einer von ihnen. Wir stellen fest, dass die Reaktion auf einen solchen Schritt durch zwei aufeinander folgende Prozesse gesteuert wird:

  1. Sofortige Bildung eines starken elektrischen Feldes über die Pore durch Eliminierung des Screenings, das sich aus dem momentanen Ladungsungleichgewicht in der EDL ergibt,
  2. gefolgt von einem langsameren Prozess, bei dem sich die ionische Atmosphäre der EDL umbaut, um das erzeugte elektrische Feld abzuschirmen, während das Innere der Nano-Pore aufgeladen wird.

Insgesamt berichten die Autoren über die ersten Messungen der EDL-Ladedynamik innerhalb einer einzelnen nano-begrenzten kreisförmigen Pore (oder Spalte) nach einer sprunghaften Veränderung des Oberflächenpotenzials (und der Ladung) einer der engen Oberflächen. Dies geschieht unter Verwendung eines SFB durch Überwachung der transienten Änderung der Oberflächenkräfte durch ein momentanes elektrisches Feld, das aus der EDL-Störung entsteht und mit zunehmender Ladung der EDL abfällt. Die Ergebnisse stimmen mit den charakteristischen Zeiten überein, die vom auf die Nanoschlitzgeometrie angewendeten Übertragungsleitungsmodell erwartet werden, und zeigen, dass ein solcher Ansatz für die Untersuchung der EDL-Ladedynamik innerhalb einzelner Nanoschlitze unter verschiedenen Bedingungen und in wässrigen Umgebungen verwendet werden könnte.

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