Elektrochemische Doppelschicht

Präsentation zum Thema: "Elektrochemische Doppelschicht"—  Präsentation transkript:

1 Elektrochemische Doppelschicht
Zustandekommen einer elektrisch geladenen Schicht: Beispiel: metallisches Kupfer tauche in eine Kupfersalzlösung ein: Cu2+ + 2e-  Cu Je nach der Gleichgewichtslage wird nun entweder die Hin- oder die Rückreaktion bevorzugt ablaufen, wodurch im Metall ein Elektronenüberschuß oder –unterschuß entsteht.  Oberflächenladungen im Metall, welche entgegengesetzt geladene Ionen in der Lösung anziehen! elektrische Doppelschicht aus zwei parallelen Ladungsschichten (H.v.Helmholtz , 1853, 1879). FU Berlin Constanze Donner / Ludwig Pohlmann

2 Plattenkondensator-Modell
starre Doppelschicht von solvatisierten Ionen und Elektronen auf der Metallseite „Plattenabstand“: einige Moleküldurchmesser Ladungsfreier Raum zwischen den Schichten: Linearer Potentialabfall Metall äußere HH-Schicht FU Berlin Constanze Donner / Ludwig Pohlmann

3 FU Berlin Constanze Donner / Ludwig Pohlmann 2010
Helmholtz FU Berlin Constanze Donner / Ludwig Pohlmann

4 FU Berlin Constanze Donner / Ludwig Pohlmann 2010
Konsequenzen I „Plattenkondensator“ mit kleinstmöglichem Plattenabstand! Extrem hohe Feldstärke:  = 500 mV, d = 0.5 nm  Feldstärke E = 109 V/m ! Zum Vergleich: Durchschlagsfeldstärke: Luft: 106, Quarz: 108 V/m Diese enormen Feldstärken sind notwendig (und hinreichend), um chemische Bindungen brechen bzw. neu formen zu können! Elektrochemische Reaktionen können nur in der Helmholtzschicht stattfinden! EC ist Surface Science! FU Berlin Constanze Donner / Ludwig Pohlmann

5 FU Berlin Constanze Donner / Ludwig Pohlmann 2010
Konsequenzen II „Plattenkondensator“ mit kleinstmöglichem Plattenabstand! Riesige Kapazität: Kapazität pro Fläche beim Plattenkondensator: Wasser: r = 78,5  C = 350 F/cm2 in Wirklichkeit kleiner, ca F/cm2, da r in der starren Doppelschicht kleiner ist  Anwendung für Kondensatoren! FU Berlin Constanze Donner / Ludwig Pohlmann

6 Doppelschichtkondensatoren
Kapazität: F/cm2 Seit 1971 (1957 Patent) FU Berlin Constanze Donner / Ludwig Pohlmann

7 FU Berlin Constanze Donner / Ludwig Pohlmann 2010
Superkondensatoren Prinzip: poröse Kohlenstoffelektroden mit einer sehr großen inneren Oberfläche! (Aktivkohle, Aerogele)  Kapazitäten bis zu 100 F / g ! Energiedichte: 4 Wh / kg  bis zu 60 Wh / kg Forschung: neue Elektrodenmaterialien, geeignetere Elektrolyte FU Berlin Constanze Donner / Ludwig Pohlmann

8 Anwendungsperspektiven
FU Berlin Constanze Donner / Ludwig Pohlmann

9 FU Berlin Constanze Donner / Ludwig Pohlmann 2010
Gouy-Chapman-Modell Grundidee: zwei gegenläufig Prozesse Das elektrostatische Feld der Elektrode zieht entgegengesetzt geladene Ionen an Die Molekularbewegung zerstört immer wieder jede Ordnung FU Berlin Constanze Donner / Ludwig Pohlmann

10 FU Berlin Constanze Donner / Ludwig Pohlmann 2010
Gouy-Chapman II Analogie? Vergleichbar mit der barometrischen Höhenformel? Allerdings: Das Gravitationspotential ist annähernd linear und unabhängig von der Luftdichte  Wohl doch komplizierter!? Das elektrische Potential hängt von der Ladungsdichte selbst ab: und FU Berlin Constanze Donner / Ludwig Pohlmann

11 FU Berlin Constanze Donner / Ludwig Pohlmann 2010
Gouy-Chapman III Trotz aller Kompliziertheit: näherungsweise ist die Lösung der Gleichungen rein exponentiell: mit der Debye-Länge: FU Berlin Constanze Donner / Ludwig Pohlmann

12 Nullladungspotential
Näherungsweise gilt für die Ladung in der Doppelschicht: Folgerungen: Potentialdifferenz = 0  Überschußladung = 0 Schichtdicke „Plattenkondensator“: Debye-Länge! Minimum der differentiellen Kapazität im Nulladungspotential: FU Berlin Constanze Donner / Ludwig Pohlmann

13 Exkurs: Adsorption von Zusätzen
Das Nullladungspotential steuert die potentialabhängige Adsorption von polaren und unpolaren Molekülen, welche selbst an der Reaktion nicht teilnehmen (Additive): PZC positiv negativ Konzentration Polare Moleküle, negative Seite Polare Moleküle, positive Seite unpolare Moleküle Das Nullladungspotential hat nichts mit dem Nernst-Potential zu tun, welches das elektrochemisch Gleichgewicht definiert! FU Berlin Constanze Donner / Ludwig Pohlmann

14 Synthese: Stern-Modell
Das GC-Modell ist geeignet für die Nähe des Nullladungspotentials, das HH-Modell für größere Entfernungen davon HH-Schicht und die diffuse GC-Schicht sind geometrisch hintereinander angeordnet Logisch ist eine Synthese: Reihenschaltung beider Kondensatoren  Modell von Stern (1924): FU Berlin Constanze Donner / Ludwig Pohlmann

15 FU Berlin Constanze Donner / Ludwig Pohlmann 2010
Stern-Modell Potential Entfernung von d. Grenzfläche FU Berlin Constanze Donner / Ludwig Pohlmann

16 FU Berlin Constanze Donner / Ludwig Pohlmann 2010
Stern-Modell FU Berlin Constanze Donner / Ludwig Pohlmann

17 FU Berlin Constanze Donner / Ludwig Pohlmann 2010
Kapazitätsverlauf FU Berlin Constanze Donner / Ludwig Pohlmann

18 FU Berlin Constanze Donner / Ludwig Pohlmann 2010
Reale Doppelschicht FU Berlin Constanze Donner / Ludwig Pohlmann

19 FU Berlin Constanze Donner / Ludwig Pohlmann 2010
Portraits FU Berlin Constanze Donner / Ludwig Pohlmann