Moderne, hochentwickelte Energiespeicher- und Umwandlungsgeräte auf Basis wässriger Elektrolyte gehören zu den vielversprechendsten Technologien zur Unterstützung strombasierter Netze aus erneuerbaren Energien. In solchen Systemen sind kohlenstoffbasierte Materialien die bevorzugte Wahl für die Herstellung von Elektroden, da i) sich andere Elemente (Heteroatome) leicht in das Kohlenstoffgerüst einbauen lassen; ii) sie so gestaltet werden können, dass sie poröse Strukturen mit nanoskaligen Poren unterschiedlicher Größe besitzen; iii) ihre Synthese nachhaltig ist, wenige Schritte umfasst und biobasierte Ausgangsstoffe nutzt.

Die Veränderung von Kohlenstoff-Nanoporstrukturen und die Feinabstimmung der Oberflächenchemie von Kohlenstoff bieten ein gut ausgestattetes Werkzeugset zur Herstellung von „Designer-Kohlenstoffen“. Abhängig von diesen Parametern ändern sich Eigenschaften wie Elektronendichte an der Oberfläche und Morphologie, was den Austausch mit wasserbasierten Elektrolyten stark beeinflusst. Reine Kohlenstoffmaterialien (z. B. Graphit oder Aktivkohle) gelten typischerweise als hydrophob, während laut Dampfadsorptionsisothermen oder Kontaktwinkelmessungen dotierte Kohlenstoffoberflächen mit polareren Heteroatomen wie Stickstoff oder Sauerstoff eher hydrophil sind. Die Übertragung der „Benetzbarkeit“ von glatten Kohlenstoffoberflächen auf Kohlenstoffnanostrukturen ist jedoch nicht trivial: Nanoporen erzeugen Konfinierungseffekte, und Heteroatom-Dotierung verändert die Elektronendichte des Kohlenstoffs tiefgreifend, fördert die Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen und kann zu Fehlinterpretationen der elektrochemischen Eigenschaften führen.

Das Verständnis der Wasserwechselwirkungen mit Nanoporen kohlenstoffhaltiger Materialien ist entscheidend für grüne Energiespeicher- und -umwandlungsanwendungen, da Kohlenstoff–Elektrolyt- (Kohlenstoff–Wasser-) Grenzflächen einen dominanten Einfluss auf die elektrochemische Leistung haben.

Die NMR-Spektroskopie ist ein vielseitiges Werkzeug zur Untersuchung lokaler Umgebungen von Wasser in Poren, da beim Eindringen von Wasser in solche Poren eine deutliche Verschiebung des Signals zu höheren Feldern beobachtet wird – verursacht durch die Nähe der Wassermoleküle zu den Ringströmen der Kohlenstoffstrukturen. Erste Ergebnisse der Festkörper-Kernspinresonanzspektroskopie (ssNMR) zeigen, dass sich unbehandelte Kohlenstoffnanoporen leicht mit Wasser füllen, während dies bei stark stickstoffdotierten Kohlenstoffen möglicherweise nicht der Fall ist. Obwohl dieser Effekt in reinen Kohlenstoffmaterialien intensiv untersucht wurde, sind stark dotierte Systeme bislang wenig verstanden.

Wir arbeiten daran, diese Wissenslücke im grundlegenden Verständnis solcher Wechselwirkungen zu schließen.