2023-06-252023-06-25https://tore.tuhh.de/handle/11420/15980An electrolyte solution near a charged solid surface forms an electric double layer (EDL). While the theory of EDLs has been known since the 1850s, their structure and dynamics are much less understood in the confined geometry of nanoporous media. There, large interfacial curvatures and overlapping EDLs of opposing interfaces can lead to significant property changes compared to planar geometries. Furthermore, EDL formation can lead to changes in mechanical interfacial stresses at the single pore scale and thus to macroscopic material deformation. In this project, this electrochemo-mechanical actuation will be related to the structure and dynamics of the EDL for aqueous electrolytes in nanoporous carbons. For this purpose, experiments and molecular simulation will be combined from the nanoscopic single-pore scale to the macroscopic scale of the porous medium.We will synthesize electrically conducting nanoporous carbons with high specific surface area, defined pore sizes (1-10 nm) and pore geometries. This will allow fine-tuning of the effect of the interfacial region compared to the rest of the pore volume. By adding heteroatoms to the carbon structure and controlling the defect concentrations, different surface chemistries (hydrophobic vs. hydrophilic) are introduced. Depending on the applied electrical voltage between electrolyte and solid, the surface chemistry and the pore diameter, we will investigate EDL formation and mechanical actuation in the material. We will focus on aqueous solutions of simple salts and investigate the role of salt concentration among other parameters. We will use synchrotron-based X-ray scattering to study the EDL in-operando, with special attention to the charge/discharge and thus ion transport kinetics. We will use molecular dynamics simulations to represent the structural properties of the surface of the nanoporous medium and the electrolyte. This should allow us to derive the structural, thermodynamic and transport properties of the geometrically confined electrolyte and relate them to the experimental results, both in terms of the electrochemo-mechanical couplings and the charge capacities at the scale of the single pore and the porous medium.In addition to these fundamental insights into aqueous electrolytes in geometric confinement, these studies provide the basis for supercapacitors with green, water-based electrolytes. They will also contribute to the development of materials for electromechanical actuators based on novel actuation principles, avoiding the usual piezoceramic systems that contain predominantly environmentally hazardous materials, such as lead.Eine Elektrolytlösung in der Nähe einer geladenen festen Oberfläche bildet eine elektrische Doppelschicht (EDL). Während die Theorie der EDL seit den 1850er Jahren bekannt ist, ist ihre Struktur und Dynamik in der beschränkten Geometrie von nanoporösen Medien viel weniger erforscht. Dort können die starken Grenzflächenkrümmungen und überlappende EDLs von gegenüberliegenden Grenzflächen zu deutlichen Eigenschaftsveränderung im Vergleich zu planaren Geometrien führen. Darüber hinaus kann die EDL-Bildung zu Änderungen von mechanischen Grenzflächenspannungen auf der Einzelporenebene und damit zu einer makroskopischen Materialdeformation führen. In diesem Projekt soll diese elektrochemo-mechanische Aktuation in Bezug gesetzt werden zur Struktur und Dynamik der EDL für wässrige Elektrolyte in nanoporösen Kohlenstoffen. Dazu werden Experimente und molekulare Simulation von der nanoskopischen Einzelporenebene bis zur makroskopischen Skala des porösen Mediums kombiniert.Wir werden elektrisch leitende nanoporöse Kohlenstoffe mit hoher spezifischer Oberfläche, definierten Porengrößen (1-10 nm) und Porengeometrien synthetisieren. Dies ermöglicht eine Feinabstimmung der Wirkung der Grenzflächenregion im Vergleich zum restlichen Porenvolumen. Durch das Hinzufügen von Heteroatomen in die Kohlenstoffstruktur und die Kontrolle der Defektkonzentrationen werden unterschiedliche Oberflächenchemien (hydrophob vs. hydrophil) eingeführt. In Abhängigkeit von der angelegten elektrischen Spannung zwischen Elektrolyt und Festkörper, der Oberflächenchemie und dem Porendurchmesser wollen wir die EDL-Bildung und die mechanische Aktuorik im Material untersuchen. Wir werden uns auf wässrige Lösungen von einfachen Salzen konzentrieren und die Rolle der Salzkonzentration neben anderen Parametern untersuchen. Wir werden synchrotronbasierte Röntgenstreuung einsetzen, um die EDL in-operando zu untersuchen, mit besonderem Augenmerk auf die Lade-/Entlade- und damit Ionentransportkinetik. Wir werden Molekulardynamiksimulationen verwenden, um die strukturellen Eigenschaften der Oberfläche des nanoporösen Mediums und des Elektrolyten darzustellen. Dies soll es uns ermöglichen, die strukturellen, thermodynamischen und Transporteigenschaften des geoemtrisch beschränkten Elektrolyten abzuleiten und mit den experimentellen Ergebnissen in Beziehung zu setzen, sowohl im Hinblick auf die elektrochemo-mechanischen Kopplungen als auch auf die Ladungskapazitäten auf der Skala der Einzelpore und des porösen Mediums.Neben diesen grundlegenden Erkenntnissen über wässrige Elektrolyte in geometrischer Beschränken liefern diese Studien die Basis für Superkondensatoren mit grünen, wasserbasierten Elektrolyten. Sie werden auch zur Entwicklung von Materialien für elektromechanische Aktoren beitragen, die auf neuartigen Antriebsprinzipien beruhen, wobei die üblichen piezokeramischen Systeme, die überwiegend umweltgefährliche Materialien, wie z. B. Blei enthalten, vermieden werden.