Struktur und Dynamik der Grenzflächenschichten zwischen ionischen Flüssigkeiten und Metallelektroden

• Antragsteller: Professor Dr. Frank Endres; Professor Dr. Bernhard Roling
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 253493261

• Erstellungsjahr: 2018

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In diesem Projekt wurden folgende grundlegende Ergebnisse erzielt:  Unterschiedliche Nullladungspotentiale (PZFC, PZTC) der Grenzfläche IL / Metall konnten über die Zeitskala der zugrundeliegenden Prozesse unterschieden werden.  Es wurden starke Hinweise dafür gefunden, dass Overscreening-Effekte an der Grenzfläche IL / Elektrode einen starken Einfluss auf die Kinetik von Ladungstransferreaktionen besitzen.  Es konnte gezeigt werden, dass die häufig diskutierten niedrigen CPE-Exponenten in den Impedanzspektren von rauen Metall / IL-Grenzflächen nichts mit der elektrostatischen Doppelschichtbildung zu tun haben, sondern vom Einfluss der Rauigkeit auf langsamere Grenzflächenprozesse herrühren. Es konnten neue Erkenntnisse gewonnen werden, wie 3-Elektroden-Artefakte in den Impedanzspektren von Metall / IL –Grenzflächen minimiert werden können.  Mittels einer Kombination von AFM-basierten Messungen konnten Informationen über die 3D-Struktur einer Elektroden / IL – Grenzfläche erhalten werden.  Fremdsalz (wie z.B. LiTFSA) stört die Grenzflächenschichten von ionischen Flüssigkeiten.  AgTFSA stört die Grenzflächenschichten schon bei sehr niedriger Konzentration, während der elektrochemischen Abscheidung sind keine Grenzflächenschichten mehr feststellbar.  Das Grenzflächenverhalten von ionischen Flüssigkeiten auf Halbleitern ist kompliziert und abhängig von der Flüssigkeit. Die im Ultrahochvakuum mittels Tunnelspektroskopie gemessene Bandlücke von Silizium wurde mit einem physikalischen Ansatz erklärt.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• 'In situ atomic force microscopy studies of the interfacial multilayer nanostructure of LiTFSI-[Py1,4]TFSI on Au(111): influence of Li+ ion concentration on the Au(111)/IL interface', J. Phys. Chem. C 119 (2015) 16734-16742
  A. Lahiri, T. Carstens, R. Atkin, N. Borisenko, F. Endres
  
• 'Influence of Electrode Roughness on Double Layer Formation in Ionic Liquids', J. Phys. Chem. C 119 (2015) 4620-4626
  T. Jänsch, J. Wallauer, B. Roling
  
• 'Minimizing Artifacts in Three-electrode Double Layer Capacitance Measurements Caused by Stray Capacitances', Electrochim. Acta 176 (2015) 907-918
  M. Balabajew, B. Roling
  
• 'Nanostructure of the ionic liquid – graphite Stern layer', ACS Nano 9 (2015) 7608-7620
  A. Elbourne, S. McDonald, K. Voïchovsky, F. Endres, G. G. Warr, R. Atkin
  
• '3-Dimensional Structure of a Prototypical Ionic Liquid - Solid Interface: Ionic Crystal-Like Behavior Induced by Molecule- Substrate Interactions', J. Phys. Chem. C 120 (2016) 11947-11955
  D. Ebeling, S. Bradler, B. Roling, A. Schirmeisen
  
• 'Electrochemical Kinetics of Ferrocene-Based Redox-ILs Investigated by Multispectrum Impedance Fitting', J. Phys. Chem. C 121 (2017) 26706-26712
  J. Wallauer, K. Jähme, A. Venker, P. Kübler, J. Sundermeyer, B. Roling
  
• 'Nanostructure of the H-terminated p-Si(111)/ionic liquid interface and the effect of added lithium salt ', Phys. Chem. Chem. Phys. 19 (2017) 54-58
  V. Hoffmann, A. Lahiri, N. Borisenko, T. Carstens, G. Pulletikurthi, A. Borodin, R. Atkin, F. Endres
  
• 'Influence of a silver salt on the nanostructure of a Au(111)/ionic liquid interface: an atomic force microscopy study and theoretical concepts', Phys. Chem. Chem. Phys. 20 (2018) 4760-4771
  V. Hoffmann, G. Pulletikurthi, T. Carstens, A. Lahiri, A. Borodin, M. Schammer, B. Horstmann, A. Latz, F. Endres
  
• 'Interactions between lithium, an ionic liquid, and Si(111) surfaces studied by X-ray photoelectron spectroscopy', J .Phys. Chem. Lett. 9 (2018) 4673-4678
  Z. Liu, G. Li, A. Borodin, X. Liu, Y. Li, F. Endres
  
• 'The apparent band gap of p-doped H-passivated Si(111) with a thin film of an ionic liquid on top', J. Phys. Chem. C. 122 (2018) 5481-5488
  A. Borodin, N. Borisenko, F. Endres
  
• 'Time-resolved determination of the potential of zero charge at polycrystalline Au / ionic liquids interfaces', J. Chem. Phys. 148 (2018) 193820
  N. M. Vargas-Barbosa, B. Roling