Lehre und Studium

Diese Grundlagenvorlesung zur Elektrochemie wird eingeleitet durch die Basiskonzepte der Elektrochemie, wie die elektrochemische Thermodynamik (elektrochemisches Potential, Elektrodenpotential, Nernst Gleichung) und die elektrochemische Kinetik, welche beschreibt was einen elektrochemischen Prozess ausmacht. Des Weiteren werden Einflussfaktoren wie der Transport in Lösungen (Migration, Diffusion und Konvektion) und die Thermodynamik von Grenzflächen (die elektrochemische Doppelschicht) erläutert. Darauf aufbauend wird der experimentelle Aufbau und das generelle Messprinzip von elektrochemischen Messungen besprochen. Dafür ist das Funktionsprinzip eines Potentiostats (Aufbau, Funktion und Anwendung) unabdingbar.
Sind diese Grundlagen geschaffen werden komplexeren Messmethoden erklärt. Darunter die Stationäre Voltammetrie mit der Chronoamperometrie, der lineare und der zyklische Voltammetrie an Makro- und Mikroelektroden für die Bestimmung von thermodynamischen und kinetischen Parametern. Zuletzt werden die Mechanismen gekoppelter homogener Reaktion zur Energiekonversion und Elektrosynthese mit entsprechenden Beispielen aus Wissenschaft und Forschung betrachtet.

Dieser auf der Vorlesung „Einführung in der Elektrochemie“ aufbauende Kurs befasst sich tiefergehend mit den Einflussfaktoren, der Analyse und Anwendung der Elektrochemie. Dabei wird anfangs ein Fokus auf Grenzflächenphänomene liegen. Darunter fällt die Elektrochemie von oberflächengebundenen Spezies und der verschiedenen Fällen die dabei zu unterscheiden sind (Langmuir-Isotherme, Frumkin-Isotherme und dem Laviron-Formalismus). Von da aus wird das Feld der lokalen Elektrochemie und damit die Elektrochemie an Mikroelektroden und der rasterelektrochemischen Mikroskopie betreten. Elektrochemische Signale können selbst bei noch kleineren Skalen im Nanometerbereich gemessen werden. Insbesondere Nanopartikel-modifizierte Elektroden und Einzel-Nanopartikel-Elektrochemie sind Beispiele für die beeindruckende Sensitivität von elektrochemischen Messungen. Dabei muss der Zusammenhang von Stofftransport und der Kinetik an heterogenen Elektroden in Detail besprochen werden.

Von dieser mikroskopischen Perspektive auf die Elektrochemie geht es zum großem Feld der Elektrokatalyse mit der Theorie und Praxis der molekularen Elektrochemie und der heterogenen Elektrokatalyse. Zur Analyse solcher Systeme werden klassische Methoden wie DEMS, ICP-MS, FTIR, Raman etc. vorgestellt. Nach den Anwendungen der Elektrokatalyse (CO₂, O₂, H₂) werden die Möglichkeiten Elektrochemie und Spektroskopie zu kombinieren erläutert. Dabei sind verschiedene Kopplung von EPR, UV-Vis, IR, Raman-Spektroskopie in der Spektrro-Elektrochemie denkbar.

Abgeschlossen wird die Vorlesung mit der Elektropolymerisation und leitenden Polymeren, sowie der Korrelation zwischen optischen Eigenschaften, Energieniveaus und dem Redoxpotential.

Der Kurs zur Elektrobiotechnologie beschäftigt sich mit dem aktuellen Stand elektrochemischer Systeme mit biologischen Komponenten, insbesondere mit der effektiven Kopplung von biologischen Komponenten zu der abiologischen Oberfläche der Elektrode. Zu anfangs werden Methoden des mediierten Elektronentransfer in Lösung und die Elektrochemie von absorbierten eznymatischen Monoschichten besprochen. Danach werden redox-aktive Polymerfilme eingeführt und wie diese vor der entgültigen Benutzung in einer elektrochemischen Zelle charakterisiert werden können. Darauf aufbauend wird das elektrische Signal von Elektroden mit katalytischen Enzym-Polymer-Filmen diskutiert. Diese können mittels multidimensionaler Falldiagramm analysiert werden.

Die weitere Analyse von Enzym-Polymer-Filmen beschäftigt sich mit den Inhomogenitäten die insbesondere die Verteilung der Filmdicke betreffen, welche mit einfachen elektrochemischen Methoden und Modellierung der Messung bestimmt werden kann. Diese Methode kann erweitert werden auf die Größenbestimmung von ITO-Poren. Außerdem wird die beeindruckende Eigenschaft der Polymerfilme, als Schutz der eingebetteten Enzyme vor Sauerstoff, betrachtet.

Am Schluss der Vorlesung werden Anwendungen elektrobiochemischer Systeme in der Biophotoelektrochemie gezeigt, von enzymatischen bis zu mikrobiellen Biophotoelektroden. Des Weiteren werden Beispiele von mikrobiellen Brennstoffzellen und der Direktreduktion von CO₂ zu wertvollen Endprodukten besprochen.

In diesem Seminar sollen Methoden zur modernene Literaturrecherche vemittelt werden, darunter fallen digitalte Literaturdatenbanken wie SciFinder und GoogleScholar. Auch wenn diese digitalen Datenbanken die reine Suche nach Quellen stark erleichtern führen sie zu einer großen Menge an möglichen Quellen die nach effizienten Mustern analysiert und sortiert werden müssen, um nicht in der schieren Menge an Literatur unterzugehen. Dabei ist es insbesondere nötig den Wert einer Quelle für die eigene Fragestellung schnell zu evaluieren und auch den hohen Stellenwert von einer strukturierten Präsentation von der Einleitung bis zur Zusammenfassung zu erkennen. Grade das Design von Abbildungen die, die präsentierten Forschungsergebnisse wiedergeben, sind für den Leser von hohe Bedeutung.

Zusätzlich zur reinen Literaturrecherche soll der Prozess der Veröffentlichung näher gebracht werden. Dieser betrifft nicht nur das Schreiben einer wissenschaftlichen Arbeit sondern auch das Einreichen bis hin zum Peer-Review Prozess der Journale.

Dies alles soll im Lichte der Bioelektrochemie geschehen und beinhaltet bekannte peer-review Journale in diesem Forschungsfeld, sowie die englischen Fachtermini die nötig sind diese Veröffentlichung zu verstehen. Außerdem wird parallel der aktuelle Stand der Forschung in diesem höchst interdisziplinären Feld besprochen.