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Krankheitserreger im Wasser — anreichern und nachweisen

Auch in einem so hoch entwickelten Land wie Deutschland brechen von Zeit zu Zeit Krankheiten aus, die pathogene Mikroorganismen oder Viren durch Wasser übertragen. Beispiele dafür sind der E.-coli-O104:H4-Ausbruch im Frühsommer 20111 (Ehec) oder die saisonbedingten Noro- oder Rotaviren-Ausbrüche...

Die Suche nach neuen Anoden-, Kathoden- oder Elektrolytmaterialien erfordert eine ganze Reihe elektrochemischer Experimente sowohl an den einzelnen Materialien als auch an kompletten elektrochemischen Zellen. Beispiele sind cyclovoltammetrische und impedanzspektroskopische Untersuchungen, der Lithium-Interkalation in Anoden- und Kathodenmaterialien, des elektrochemischen Stabilitätsfensters und der Leitfähigkeit von Elektrolyten sowie der Bildung von Passivschichten (SEI) an der Elektroden/Elektrolyt-Grenzfläche.
Leistungsfähige und sichere Energiespeichersysteme benötigen neue Elektrolytmaterialien. Hier findet man mittlerweile eine ganze Bandbreite von flüssigen über gelartige bis hin zu festen Materialien.1


<h2>Elektrolytmaterialien untersuchen</h2>
Die Vielfalt der Elektrolytmaterialien stellt hohe Anforderungen an die Messtechnik und die elektrochemischen Messzellen. Hierbei ist die Probenmenge eine kritische Größe. Viele der elektrochemischen Standard-Messzellen sind für wässrige Elektrolyte mit Volumina von 20 bis 50 mL und mehr konstruiert. Oft liegen aber gerade im Labormaßstab synthetisierte Materialien nur in Submilliliter-Mengen vor.
Auch in der Analyse gealterter und ausgefallener Akkumulatorzellen (post-morten oder auch forensische Analyse genannt) sind die Probenmengen in der Regel sehr klein. Bei diesen Analysen werden die Akkumulatorzellen immer wiederkehrenden Lade- und Entladezyklen unterworfen, bis eine kritische Restkapazität beispielsweise von 80 Prozent des ursprünglichen Werts erreicht ist. Anschließend werden sie möglichst zerstörungsfrei geöffnet und die Einzelkomponenten mit verschiedenen Verfahren analysiert, um die Faktoren für die Kapazitätsabnahme auszumachen. Die bei der forensischen Analyse zur Verfügung stehenden Elektrolytmengen bewegen sich bei typischen Testzellen im Milligrammbereich.


<h2>Aufbau der Messzelle</h2>
Für Probenmengen von weniger als einem Milliliter eignet sich das neu entwickelte Messsystem Microcell HC, bestehend aus Messaufbau (Abbildung 1) und Regeleinheit. Das System ist modular aufgebaut, so dass Probenwechsel schnell und mit wenig Aufwand möglich sind. Die Basis des Systems ist eine temperierbare Plattform, die ein Peltierelement schnell heizt oder kühlt.
Auf der temperierbaren Plattform stecken die Herzstücke des Systems — die Messzellen. Elektroden und Temperatursensoren werden über das Stecksystem kontaktiert. So verlaufen die Messungen unter Temperaturkontrolle mit einer Genauigkeit von ± 0,1 K zwischen −40 °C bi +100 °C.
Die Mess- und Regelelektronik sitzt in einem separaten Gehäuse, dadurch kann die Basis flexibel und platzsparend eingesetzt werden, beispielsweise in Handschuhboxen.
Um möglichst unterschiedliche flüssige, gelartige und feste Materialien zu untersuchen, gibt es für das Microcell-System eine Reihe verschiedener Messzellen. Bei den Messzellen für Flüssigelektrolyte beträgt das minimale Probenvolumen zwischen 20 µL und 0,8 mL. Es stehen offene und geschlossene Zellen zur Verfügung, je nachdem, ob die Probe schwer oder leicht flüchtig ist. Durch das Stecksystem lassen sich die einzelnen Messzellen schnell austauschen, so dass ein Probenwechsel nur wenige Minuten dauert. Somit lassen sich in kurzer Zeit mehrere Flüssigelektrolyte charakterisieren oder auch aufeinander folgende Messungen an flüssigen, gelartigen und festen Proben durchführen.
Wegen der wachsenden Vielfalt elektrochemischer Energiespeichersysteme und der steigenden Nachfrage arbeiten wir ständig an neuen Messzellen für das System Microcell HC, insbesondere für die Untersuchung von Elektrodenmaterialien für Batterien oder Superkondensatoren.


<h2>Beispiel ionische Flüssigkeiten</h2>
In der Messzelle für flüssige Proben wurden unter anderem wässrige Elektrolyte, ionische Flüssigkeiten und organische Elektrolyte untersucht, um Informationen über ihre elektrochemische Stabilität und ionische Leitfähigkeit zu erhalten. Elektrolyte auf Basis organischer Carbonate finden sich beispielsweise in Lithium-Ionen-Akkus. Unsere Ergebnisse zur temperaturabhängigen Ionenleitfähigkeit stimmen gut mit den Herstellerangaben überein. Abbildung 2 zeigt Leitfähigkeitswerte einer elektrochemisch sehr stabilen ionischen Flüssigkeit, eines verbreiteten Batterieelektrolyten für Li-Ionen-Systeme und einer häufig für Kalibrationszwecke verwendeten wässrigen Kaliumchloridlösung. Die Messwerte wurden zwischen −30 °C und 80 °C aufgenommen. Das Elektrolytvolumen der ionischen Flüssigkeit betrug 40 µL, von den anderen Elektrolyten wurden 800 µL verwendet. Die Messung für eine Probe dauerte weniger als zwei Stunden.


<h2>Unter Potenzialkontrolle</h2>
Für viele elektrochemische Methoden ist die Potenzialkontrolle einer Arbeitselektrode Voraussetzung, dies erfordert eine Referenzelektrode. Die miniaturisierte Referenzelektrode für Messungen an kleinen Mengen alternativer Elektrolyte basiert auf einem Kapillarsystem.2 Diese Referenzelektrode lässt sich an verschiedene Elektrolytsysteme anpassen, beispielsweise an unterschiedliche ionische Flüssigkeiten oder organische Lösungsmittel wie Dimethylsulfoxid.
Messergebnisse für nichtwässrige Elektrolyte lassen sich durch Ferrocen als interner Referenz auf die von der Iupac anerkannten Potenzialskalen beziehen. Abbildung 3 zeigt beispielhaft temperaturabhängige Cyclovoltammogramme einer Lösung von Ferrocen (c = 10 mmol·L−1 in der ionischen Flüssigkeit (N,N)-Butylmethylpyrrolidinium-tris(pentafluoroethyl)-trifluorophosphat, [Py1,4]FAP. Die Referenzelektrode bestand aus dem Redoxsystem Ag+/Ag mit derselben ionischen Flüssigkeit als Innenelektrolyt. Ein solcher speziell angepasster Innenelektrolyt macht kontaminationssensible elektrochemische Untersuchungen erst möglich. Ein Beispiel ist die Messung der differenziellen Kapazität der Grenzfläche Metallelektrode/Elektrolyt im Mikromaßstab.3
Um Messung, Auswertung und Dokumentation weitgehend zu automatisieren, verfügt das System Microcell HC über Schnittstellen zur Hard- und Software der elektrochemischen Messgeräte (Potentiostaten, Galvanostaten, Impedanzanalysatoren) der gängigen Hersteller. So laufen temperaturabhängige Messreihen automatisch ab, je nach Messgerätesoftware findet dabei bereits die Auswertung der Messergebnisse statt, und die Software gibt die aufbereiteten Daten anschließend aus (z. B. als Arrhenius-Plot).
Benedikt Huber und Marcel Drüschler, beide Jahrgang 1984, haben an der Universität Marburg Chemie studiert und arbeiten seit dem Jahr 2009 als Doktoranden bei Bernhard Roling in der physikalischen Chemie. Benedikt Huber forscht an Polyelektrolyten und Lithiumsalzen, Marcel Drüschler an Grenzflächen zwischen ionischen Flüssigkeiten und Elektroden. Gemeinsam mit den Werkstätten ihres Fachbereichs konstruieren sie elektrochemische Messzellen und entwickeln sie weiter. <ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.rhd-instruments.de" target="_blank">www.rhd-instruments.de</a></ext-link> <a href="mailto:huberb@staff.uni-marburg.de">huberb@staff.uni-marburg.de</a>



<ul>
<li>
1 

M. Valentine-Urbschat, W. Bernhart, Powertrain 2020 — The future drives electric, Roland Berger Strategy Consultants, 2011.
</li>
<li>
2 

 
B. Huber, 
B. Roling, 
<source>Electrochim. Acta 
(2011), 
56, 
6569–<lpage>6572.</lpage>
</li>
<li>
3 

 
M. Drüschler, 
N. Borisenko, 
J. Wallauer, 
C. Winter, 
B. Huber, 
F. Endres, 
B. Roling, 
<source>Phys. Chem. Chem. Phys. 
(2012), 
14, 
5090–<lpage>5099.</lpage>
</li>
</ul>

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