Forschung | Die Domke-Gruppe

Elektrokatalytische Oberflächenreaktivität


Um verbesserte Elektrokatalysatoren zu gestalten, ist ein detailliertes Verständnis des Zusammenhangs zwischen Oberflächenstrukturreaktivität auf atomarerebene. So müssen beispielsweise die Wirkweise von Domänengrenzen zwischen verschiedenen katalytischen Materialien oder die Reaktivitätsunterschiede von Stufenkanten und Terrassen auf der (Sub-)Nanometerebene unter Reaktionsbedingungen weiter aufgeklärt werden. Wir verwenden elektrochemischspitzenverstärkte Ramanspektroskopie (EC-TERS), um die aktiven Zentren und die potenzialabhängigen Pfade elektrokatalytischer Prozesse zu charakterisieren, um die Entwicklung verbesserter Elektrokatalysatoren voranzutreiben. Reactivity mapping of nanoscale defect chemistry under electrochemical reaction conditions
J. Pfisterer, M. Baghernejad, G. Giuzio, K.F. Domke*
Nature Communications 2019, 10, 5702.
Unfolding the versatile potential of EC-TERS for electrocatalysis
J. Pfisterer, K.F. Domke*
Current Opinion in Electrochemistry 2018, 8, 96-102.

Biophysikalische Energieumwandlung in Metalloproteinen


Viele lebenswichtige Funktionen lebender Organismen wie Atmung, Photosynthese oder Stickstofffixierung beruhen auf der Fähigkeit komplexer metallionenhaltiger Moleküle, genannt Metalloproteine (durch den Austausch von Elektronen mit anderen Molekülen) chemische Prozesse zu induzieren. Wir setzen EC-TERS ein, um ein quasi-atomistisches Bild des Redoxverhaltens von Metalloproteinen zu erhalten, um beispielsweise das Verständnis der (Fehl-)Funktion von Metalloproteinen in Bezug auf physiologische Erkrankungen oder biophysikalische Prozesse zu verbessern. (Gefördert durch das Boehringer Ingelheim Stiftung Plus 3 Programm) Electrochemical TERS elucidates potential-induced molecular reorientation of adenine/Au(111)
N. Martín Sabanés , T. Ohto , D. Andrienko, Y. Nagata, K.F. Domke*
Angewandte Chemie International Edition 2017, 56, 9796-9801 (VIP paper).

Wasser in Ionenaustauschmembranen


Das Verhalten von Wassermolekulen in Ionenaustauschmembranen bestimmt in hohem Maße die Leistung von Brennstoffzellen, in dem das Wasser sowohl den Ionentransport als auch die katalytische Effizienz der Zelle beeinflusst. Die Bestimmung der molekularen Eigenschaften von Wasser in Ionenaustauschmembranen, wie die räumliche Anordnung und die chemischen Wechselwirkungen mit der Membran, bietet physikalisch-chemische Einblicke, die zu einen besseren Verständnis der makroskopisch meßbaren Brennstoffzellenleistung führen. Mit Hilfe der kohärenten Anti-Stokes-Ramanspektroskopie (CARS) können wir den Wassergehalt in der Membran quantifizieren und deren Verteilungdie Wasserverteilung in 3D mit (Sub-)Mikrometerauflösung visualisieren. Die hohe Empfindlichkeit von CARS erlaubt eine zeitliche Auflösung von Millisekunden und ermöglicht es uns live zu beobachten, wie die Membran- und (De)Hydrierungsprozesse ablaufen. Correlated interfacial water transport and protonconductivity in perfluorosulfonic acid membranes
X. Ling, M. Bonn, S.H. Parekh, K.F. Domke*
Proceedings of the National Academy of Sciences 2019, 116, 8715-8720.
Nanoscale distribution of sulfonic acid groups determines structure and binding of water in Nafion membranes
X. Ling, M. Bonn, S.H. Parekh*, K.F. Domke*
Angewandte Chemie International Edition 2016, 55, 4011-4015.

Elektrosynthese von metallorganischen Netzwerken


Metallorganische Netzwerke (MOFs) stellen eine wichtige Klasse komplexer Funktionsmaterialien dar, welche unter anderem für Anwendungen in den Bereichen Sensorik, Katalyse, Optoelektronik und Energiespeicherung und -umwandlung relevant sind. Der Wachstumsprozess, insbesondere die Nukleationsphase und die frühen Wachstumsphasen, die die endgültigen Materialeigenschaften bestimmen, sind jedoch bislang nur unzureichend verstanden. Detailliertere Einblicke in die Entstehung von MOFs sind entscheidend für die Entwicklung maßgeschneiderter MOF-Fertigungsprotokolle. Wir charakterisieren die Anfangsstadien des potenzialgesteuerten MOF-Wachstums als Funktion des angelegten Substratpotentials, der Elektrolytzusammensetzung, der Substratmorphologie und der funktionellen Gruppen in situ mit einer bislang unerreichten molekularen Auflösung. Basierend auf den (so gewonnenen) detaillierten mechanistischen Erkenntnissen über die molekularen Wechselwirkungen, die dem frühen MOF-Wachstum zugrunde liegen, können wir rational verbesserte Präparationsprotokolle für MOFs mit gewünschten Eigenschaften entwickeln. Trimesic acid on Cu in ethanol: potential-dependent transition from 2D adsorbate to 3D metal-organic framework
P. Schäfer, A. Lalitha, P. Sebastian, S. Kumar Meena, J.M. Feliu, M. Sulpizi, M.A. van der Veen, K.F. Domke*
Journal of Electroanalytical Chemistry 2017, 793, 226-234.
Unraveling a two-step oxidation mechanism in electrochemical Cu-MOF synthesis
P. Schäfer, M.A. Van der Veen*, K.F. Domke*
Chemical Communications 2016, 52, 4722-4725.

Chemische und optische Eigenschaften von Solarzellen-Oberflächen


Angesichts der knappen fossilen Energieressourcen ist die Entwicklung alternativer Konzepte zur Energieumwandlung unerlässlich. Ein Paradebeispiel für solche alternativen Konzepte sind photovoltaische Materialien, wie farbstoff- oder quantenpunktsensitivierte Oberflächen oder Perowskite, die Sonnenlicht in Strom umwandeln können. Um Solarzellenbauelemente zu verbessern und die Technologie für die breitere Anwendung voranzutreiben, sind molekularere Einblicke in die physikalisch-chemischen Eigenschaften des komplexen Sensibilisator-/Elektroden-/Elektrolytsystems erforderlich. Unsere Forschung zielt darauf ab, die Grenzflächenprozesse von Solarzellen auf der Nanoskala unter operando Bedingungen im Detail zu beobachten, um wichtige Fragen der Solarzellenentwicklung zu beantworten: Welche Art von Sensibilisator-Elektroden-Elektrolyt-Interaktionen gibt es und wie sind sie an die Oberflächenmorphologie gekoppelt? Wie kann die Bauelementaktivität durch das Vorhandensein von Fehlstellen oder Heteromolekülen oder Partikeln gesteigert werden? Was ist der chemische Ursprung der Leistungsabnahme bei UV-Bestrahlung und/oder in Gegenwart von Sauerstoff oder Wasser? Die Aufzeigung der zusammenhänge zwischen des bekannten makroskopischer Solarzellleistung und den ihr zugrundeliegenden molekularen Prozessen unter realistischen Arbeitsbedingungen ebnet den Weg für ein rationelles Zelldesign. The SERS signature of PbS quantum dot oxidation
K. Stadelmann, A. Elizabeth, N. Martn Sabanés, K.F. Domke*
Vibrational Spectroscopy 2017, 91, 157-162.
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