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Elektrochemische Doppelschicht

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Elektrochemische Doppelschicht. Zustandekommen einer elektrisch geladenen Schicht:. Beispiel: metallisches Kupfer tauche in eine Kupfersalzlösung ein: Cu 2+ + 2e -  Cu - PowerPoint PPT Presentation

Text of Elektrochemische Doppelschicht

  • Elektrochemische DoppelschichtZustandekommen einer elektrisch geladenen Schicht:Beispiel: metallisches Kupfer tauche in eine Kupfersalzlsung ein:

    Cu2+ + 2e- Cu

    Je nach der Gleichgewichtslage wird nun entweder die Hin- oder die Rckreaktion bevorzugt ablaufen, wodurch im Metall ein Elektronenberschu oder unterschu entsteht.

    Oberflchenladungen im Metall, welche entgegengesetzt geladene Ionen in der Lsung anziehen! elektrische Doppelschicht aus zwei parallelen Ladungsschichten (H.v.Helmholtz 1821-1894, 1853, 1879).

    FU Berlin Constanze Donner / Ludwig Pohlmann 2010

  • Plattenkondensator-Modellstarre Doppelschicht von solvatisierten Ionen und Elektronen auf der MetallseitePlattenabstand: einige MolekldurchmesserMetall uere HH-Schicht Ladungsfreier Raum zwischen den Schichten: Linearer Potentialabfall

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  • Helmholtz

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  • Konsequenzen IPlattenkondensator mit kleinstmglichem Plattenabstand!Extrem hohe Feldstrke: = 500 mV, d = 0.5 nm Feldstrke E = 109 V/m !Zum Vergleich: Durchschlagsfeldstrke:Luft: 106, Quarz: 108 V/mDiese enormen Feldstrken sind notwendig (und hinreichend), um chemische Bindungen brechen bzw. neu formen zu knnen! Elektrochemische Reaktionen knnen nur in der Helmholtzschicht stattfinden! EC ist Surface Science!

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  • Konsequenzen IIPlattenkondensator mit kleinstmglichem Plattenabstand!Riesige Kapazitt: Kapazitt pro Flche beim Plattenkondensator:Wasser: r = 78,5 C = 350 F/cm2 in Wirklichkeit kleiner, ca. 10-50 F/cm2, da r in der starren Doppelschicht kleiner ist Anwendung fr Kondensatoren!

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  • DoppelschichtkondensatorenKapazitt: 10-40 F/cm2Seit 1971 (1957 Patent)

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  • SuperkondensatorenPrinzip: porse Kohlenstoffelektroden mit einer sehr groen inneren Oberflche! (Aktivkohle, Aerogele) Kapazitten bis zu 100 F / g !Forschung: neue Elektrodenmaterialien, geeignetere Elektrolyte Energiedichte: 4 Wh / kg bis zu 60 Wh / kg

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  • Anwendungsperspektiven

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  • Gouy-Chapman-ModellGrundidee: zwei gegenlufig ProzesseDas elektrostatische Feld der Elektrode zieht entgegengesetzt geladene Ionen anDie Molekularbewegung zerstrt immer wieder jede Ordnung

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  • Gouy-Chapman IIAnalogie?Vergleichbar mit der barometrischen Hhenformel?Allerdings:Das Gravitationspotential ist annhernd linear und unabhngig von der Luftdichte Wohl doch komplizierter!?Das elektrische Potential hngt von der Ladungsdichte selbst ab:und

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  • Gouy-Chapman IIITrotz aller Kompliziertheit: nherungsweise ist die Lsung der Gleichungen rein exponentiell:mit der Debye-Lnge:

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  • NullladungspotentialNherungsweise gilt fr die Ladung in der Doppelschicht:Folgerungen: Potentialdifferenz = 0 berschuladung = 0Schichtdicke Plattenkondensator: Debye-Lnge!Minimum der differentiellen Kapazitt im Nulladungspotential:

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  • Exkurs: Adsorption von ZustzenDas Nullladungspotential steuert die potentialabhngige Adsorption von polaren und unpolaren Moleklen, welche selbst an der Reaktion nicht teilnehmen (Additive):Das Nullladungspotential hat nichts mit dem Nernst-Potential zu tun, welches das elektrochemisch Gleichgewicht definiert!

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  • Synthese: Stern-ModellDas GC-Modell ist geeignet fr die Nhe des Nullladungspotentials, das HH-Modell fr grere Entfernungen davonHH-Schicht und die diffuse GC-Schicht sind geometrisch hintereinander angeordnetLogisch ist eine Synthese: Reihenschaltung beider Kondensatoren Modell von Stern 1888-1969 (1924):

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  • Stern-Modell

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  • Stern-Modell

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  • Kapazittsverlauf

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  • Reale Doppelschicht

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  • Portraits

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