Ion electrosorption in nanoporous carbons

Titel in Übersetzung: Ionen-Elektrosorption in nanoporösen Kohlenstoffen

Christian Prehal

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Ein grundlegendes Verständnis über Mechanismen der ionischen Ladungsspeicherung und des Ionentransportes in Kohlenstoff-Nanoporen ist essentiell, um das Leistungsvermögen von Superkondensatoren oder der kapazitiven Meerwasser-entsalzung zu verbessern. Um detaillierte Vorhersagen von atomistischen Simulationen zu verifizieren, sind experimentelle Daten mit Information über die strukturelle Anordnung von Ionen und Lösungsmittelmolekülen innerhalb der Nanoporen von Nöten. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde in situ Röntgenkleinwinkelstreuung (in situ SAXS) als experimentelle Methode zur Untersuchung der Ionen-Elektrosorption während des Ladens und Entladens einer in situ Superkondensatorzelle etabliert. Für die in situ Zellen wurden dabei Elektroden aus nanoporösem Kohlenstoff und Elektrolyten aus hochmolaren wässrigen Lösungen verwendet. Der hohe Röntgenfluss der österreichischen SAXS-Beamline an der Synchrotronstrahlungsquelle ELETTRA (Triest, Italien) ermöglicht Zeitauflösungen von weniger als einer Sekunde. Mit Hilfe einer detaillierten Analyse des Transmissionssignals (XRT) konnte die globale Kationen- und Anionen-Konzentrationsänderung in der Arbeitselektrode als Funktion der angelegten Zellspannung berechnet werden. Während des Ladens steigt die Gegenionenkonzentration, während die Koionenkonzentration absinkt; die Gesamtionenkonzentration bleibt dabei konstant. Außerdem konnte mit Hilfe eines Zweiphasenmodells und Korrelationslängenparametern gezeigt werden, dass die Streudaten Informationen über die lokale strukturelle Umordnung der Ionen innerhalb der Nanoporen enthalten. Ein detailliertes Verständnis der in situ SAXS Daten und der ablaufenden physikalischen Prozesse gestaltet sich auf Grund des Multiphasencharakters des streuenden Systems jedoch als äußerst schwierig. Aus diesem Grund wurde eine neue Methode zur Datenanalyse entwickelt, innerhalb derer die Ionenpositionen in Strukturmodellen der nanoporösen Kohlenstoffe als Funktion der Elektrodenladung mit Hilfe von atomistischen Monte Carlo Simulationen bestimmt werden. Dabei werden sowohl Kohlenstoffmodelle als auch Ionenkonzentrationen aus SAXS bzw. XRT Daten bestimmt. Eine Fourier Transformation der Simulationsbox liefert simulierte SAXS Kurven, welche wiederum mit gemessenen in situ SAXS Kurven bei jeder angelegten Zellspannung verglichen werden können. Dieser Ansatz erlaubt eine präzise Vorhersage des Ortes (quantifiziert mit dem „Degree of Confinement“, DoC) und des Grades der Dehydratisierung der Ionen innerhalb der Nanoporenstruktur. Ein wichtiges Resultat dieser Analyse hat gezeigt, dass Gegenionen bei Anlegen einer Spannung sich in Poren mit besonders hohem DoC begeben und dabei unter energetischem Aufwand partiell ihre Wasserhülle abgeben. Auf Grund der generell stärkeren Lokalisierung der Elektrodenladung in derartig engen Poren funktioniert die Ladungsspeicherung gerade dort am effektivsten. Außerdem konnten Unterschiede in der Ionenkinetik während des Ladens und Entladens auf unterschiedlichen Längenskalen des Porensystems festgestellt werden.
Titel in ÜbersetzungIonen-Elektrosorption in nanoporösen Kohlenstoffen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Presser, Volker, Beurteiler B (extern), Externe Person
  • Paris, Oskar, Beurteiler A (intern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2017

Bibliographische Notiz

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Schlagwörter

  • in situ SAXS
  • Superkondensatoren
  • Synchrotron
  • ionische Ladungsspeicherung
  • Energiespeicherung
  • Nanoporen

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