Modellierung der elektrischen Doppelschicht an Metalloxid-Elektroden/Elektrolyt-Grenzflächen durch Dichtefunktionaltheorie-basierte Molekulardynamik

• Antragsteller: Dr. Chao Zhang
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 263270542

Übergangsmetalloxide spielen eine wichtige Rolle in der Entwicklung von neuen, effizienten (Photo-)Elektrokatalysatoren, die aufgrund des steigenden Energieverbrauchs und die dadurch resultierenden deutschland- und weltweiten Umweltprobleme gebraucht werden. Die meisten auf der Erde vorkommenden Metalloxide sind nur in alkalischer Lösung (pH-Wert 14) stabil. Die Modellierung und Simulation der elektrischen Doppelschicht (EDS), die durch Deprotonierung von adsorbiertem Wasser und Hydroxidionen an den Metalloxid-Elektroden/Elektrolyt-Grenzflächen gebildet wird, hat folglich einen wichtigen Anteil an der Optimierung der kosteneffizienten Energieumwandlung. Da aber das atomistische Verständnis dieser Metalloxide in elektrochemischen Grenzflächen unter Einsatzbedingungen bisher fehlt, können hier kaum Fortschritte verzeichnet werden.Als Hauptziel dieses Projekts schlage ich hier die Entwicklung und Untersuchung der Modellierung von protonischen EDS unter Verwendung von Dichtefunktionaltheorie (DFT)-basierter Molekulardynamik (MD) mit expliziter Einbeziehung des Lösemittels vor. Der Fokus soll hierbei auf den zugehörigen dielektrischen Eigenschaften der EDS liegen. Als ein Beispiel von hohem technologischem Interesse für die photoelektrochemische Energieumwandlung wollen wir die protonische EDS an einer TiO2/Elektrolyt-Modellgrenzfläche unter Flachbandbedingungen studieren. Durch die erstmalige Kombination der Konzepte der (einzelnen) Elektrodenpotenziale in der Elektrochemie mit Berry-Phasen-Polarisierung in periodischen Systemen, erhoffen wir eine realistischere Modellierung der protonischen EDS sowie der ionischen Abschirmung in der Elektrolytlösung. Dieser hier vorgestellte Ansatz wird es uns insbesondere ermöglichen, die Doppelschicht bei fester chemischer Zusamensetzung mit Ladung zu versehen und die Polarisierung als neue Observable sowie die Helmholtz-Kapazität und die detaillierte räumliche Veränderung der dielektrischen Antwort in der Doppelschicht zu berechnen. Diese neue Methode wird einen beträchtlichen Sprung nach vorne gegenüber der traditionellen Kontinuumstheorie und den gegenwärtigen vereinfachten atomistischen Superzellenmodellen bedeuten. Weiterhin wird es eine wertvolle Basis für zukünftige Forschung hinsichtlich eines mechanischen Verständnisses der Kopplung von EDS mit elektrokatalytischen Prozessen an Grenzflächen schaffen, was hochrelevant für die Entwicklung von effizienten und ökonomischen Elektro- und Photokatalysatoren ist.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Gastgeber: Professor Michiel Sprik, Ph.D.