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Elektrochemie live untersuchen

Jülich, 17. Januar 2018 – Forscher aus Jülich, den USA und Tschechien haben eine Versuchsanordnung entwickelt, mit der sich elektrochemische Vorgänge an Grenzflächen zwischen Festkörpern und Flüssigkeiten „live“ und mit unerreichter Genauigkeit beobachten lassen. Damit lassen sich zahlreiche wissenschaftliche Fragestellungen genauer untersuchen als bisher, zum Beispiel warum Lithium-Ionen-Akkus altern oder welche Katalysatormaterialien sich für eine besonders effiziente Umwandlung von Speichermaterialien für die Energiewende eignen. Die neue Plattform besitzt eine räumliche Auflösung von wenigen Nanometern, eine zeitliche von Sekundenbruchteilen und ist element- sowie oxidationsstufenspezifisch, kann also beispielsweise Kupferatome von Kupferionen unterscheiden.

Die Versuchsanordnung der Wissenschaftler vom Forschungszentrum Jülich, dem National Institute of Standards and Technology (NIST), USA, der Karls-Universität in Prag sowie der University of Maryland und dem Oak Ridge National Laboratory (ORNL), beide USA, beruht auf der etablierten Technik der Photoemissionselektronenmikroskopie. Eigentlich eignet sich dieses leistungsstarke bildgebende Verfahren nicht zur Untersuchung von Flüssigkeiten, denn die zu untersuchenden Proben müssen in ein starkes Vakuum verbracht werden.

Elektrochemie live: VersuchsanordnungKünstlerische Darstellung der Versuchsanordnung: im Vordergrund ein Ausschnitt einer einzelnen elektrochemischen Zelle mit dem Elektrolyten im Zentrum, abgedeckt von einer Graphenschicht, sowie Gold-Kontakten oben und Platin-Kontakten unten. Ein Photoemissionselektronenmikroskop schickt Röntgenlicht (gelbe Schlangenlinie) auf die Probe und nimmt chemische Informationen in Form von Photoelektronenspektren (rote Linien) auf.
Copyright: Forschungszentrum Jülich

"Aber mit einem einfachen Trick lässt sich die Lösung in den Proben vor dem Vakuum schützen", erläutert Dr. Andrei Kolmakov vom NIST: Die Flüssigkeit, ein sogenannter Elektrolyt, befindet sich in Tausenden winzigen Kanälen auf einer Glasplatte von einem halben Millimeter Dicke. Die Platte deckten die Forscher mit einer Schicht Graphen ab, die sich wie eine Klarsichtfolie über die Öffnungen der Kanäle spannt.

Dies verhindert nicht nur ein Verdampfen der Flüssigkeit; die dünne Schicht ist außerdem für ein Photoemissionselektronenmikroskop durchsichtig. Zudem leitet Graphen elektrischen Strom und fungiert bei den Experimenten als Elektrode. Die unteren Enden der Kanäle beschichteten die Forscher mit einem nanometerdünnen Platinfilm und verschlossen sie mit einem Dichtungsmaterial. So schufen sie Tausende funktionsfähige elektrochemische Zellen im Zwergenformat. "Das Prinzip lässt sich für verschiedenste Untersuchungen an flüssig-fest-gasförmigen Zwischenschichten nutzen", betont Dr. Slavomír Nemšák vom Peter Grünberg Institut. Damit eignet sich die Methode für Fragestellungen u.a. aus den Bereichen Energieforschung, Katalyse, Magnetismus und Biomedizin.

Originalveröffentlichung:

Interfacial Electrochemistry in Liquids Probed with Photoemission Electron Microscopy;
Slavomír Nemšák, Evgheni Strelcov, Tomáš Duchoň, Hongxuan Guo, Johanna Hackl, Alexander Yulaev, Ivan Vlassiouk, David N. Mueller, Claus M. Schneider, and Andrei Kolmakov;
J. Am. Chem. Soc., 2017, 139 (50), pp 18138–18141; DOI: 10.1021/jacs.7b07365

Weitere Informationen:

Peter Grünberg Institut – Elektronische Eigenschaften (PGI-6)

Ansprechpartner:

Dr. Slavomír Nemšák
Forschungszentrum Jülich, Peter Grünberg Institut, Elektronische Eigenschaften (PGI-6)
Tel: 02461 61-9369
E-Mail: s.nemsak@fz-juelich.de

Dr. Andrei Kolmakov
National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg MD, USA
Tel: +1 (301) 975-4724
E-Mail: andrei.kolmakov@nist.gov

Pressekontakt:

Angela Wenzik, Wissenschaftsjournalistin
Forschungszentrum Jülich
Tel: 02461 61-6048
E-Mail: a.wenzik@fz-juelich.de