Theorie elektrokatalytischer Grenzflächen | Junior Prof. Dr. Jun Huang

Dichte-Potential-Funktional-Theorie

Wir haben einen einzigartigen semiklassischen Funktionsansatz mit konstantem Potential zur Modellierung der elektrischen Doppelschicht (EDL) entwickelt. Unsere Methode kombiniert die orbitalfreie Dichtefunktionaltheorie für Elektronen und die klassische statistische Feldtheorie von Elektrolytlösungen. Unser Ansatz ermöglicht rechnerisch effiziente Simulationen von EDLs unter Konstantpotentialbedingungen und eröffnet einen Weg zur Modellierung von EDLs an aufgerauten Oberflächen und mesoskopischen Strukturen, die jenseits der Möglichkeiten von Ab-Initio-Ansätzen liegen, die durch Rechenkosten und klassische Ansätze ohne Berücksichtigung elektronischer Metalleffekte begrenzt sind.

EDL-Effekte in der Elektrokatalyse

Elektrokatalytische Reaktionen finden in der elektrischen Doppelschicht (EDL) an den Elektroden-Elektrolyt-Grenzflächen statt, wobei der Einfluss der EDL-Struktur auf die Reaktion selbst bei einfachsten Reaktionen unklar ist. Unser Ziel ist es, ein grundlegendes Verständnis der EDL-Effekte auf den elementaren Ladungstransfer an elektrokatalytischen Grenzflächen zu entwickeln, wobei wir das Newns-Anderson-Hamilton-Modell als analytisches Werkzeug verwenden. Der Schwerpunkt liegt dabei auf dem Elektronentransfer an hochgeladenen Elektrodenoberflächen, wie der Ag-Elektrode in der Kohlendioxid-Reduktionsreaktion, für die die klassische Marcus-Theorie unzureichend zu sein scheint.

Heterogene, mesoskopische, dynamische Grenzflächen

In der Praxis sind Elektrokatalysatoren häufig auf mesoskopischer Skala heterogen zusammengesetzt, während die meisten grundlegenden Erkenntnisse über ideal planare Elektroden gesammelt wurden. Ein prominentes Beispiel sind Pt-Nanopartikel auf Kohlenstoffmaterialien, bei denen sich die EDLs von Pt und Kohlenstoff überschneiden. Darüber hinaus sind diese reaktiven Grenzflächen nicht statisch, sondern entwickeln sich während des Betriebs dynamisch weiter. Unser langfristiges Ziel ist es zu verstehen, wie die mesoskopischen Heterogenitäten die EDL-Struktur und die Reaktionskinetik beeinflussen und wie die Reaktionen wiederum die dynamische Entwicklung der Grenzflächen vorantreiben.