Grenzflächenkonzentrationen

Grenzflächenkonzentrationen bezeichnen die Konzentrationen chemischer Spezies unmittelbar an einer Grenzfläche zwischen zwei Phasen, beispielsweise Feststoff–Lösung oder Flüssigkeit–Luft. Sie unterscheiden sich von den Konzentrationen im Bulk der jeweiligen Phase und spielen eine zentrale Rolle bei Reaktionskinetik, Massentransport und der Stabilität von Mischungen, Emulsionen sowie Grenzflächenreaktionen.

Die Werte hängen von interfacialen Kräften ab, einschließlich Adsorption, Partitionierung und elektrostatischer Effekte in der elektrischen Doppelschicht. Im Gleichgewicht gelten oft die chemischen Potentiale der beiden Phasen als gleich, wodurch sich die interfaciale Konzentration durch Partitionkoeffizienten oder andere Verhältnisgrößen bestimmen lässt. In elektrochemischen Systemen beeinflusst die Grenzflächenkonzentration die Rate von Elektrodenreaktionen und die Gesamtkinetik des Ladungstransfers.

Die direkte Messung ist herausfordernd; Grenzflächenkonzentrationen werden meist indirekt aus Oberflächen- oder Schnittstellenanalytik abgeleitet. Zu den Methoden gehören oberflächenempfindliche Spektroskopien wie Sum-Frequenz-Generation-Spektroskopie (SFG), Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS), Neutronenreflektometrie und Ellipsometrie; elektrochemische Größen wie die Kapazität der elektrischen Doppelschicht liefern ebenfalls Hinweise auf Grenzflächenkonzentrationen.

In Modellen der Diffusion und Reaktion erscheinen Grenzflächenkonzentrationen als Grenzwerte für die Randbedingungen. Der Massenfluss j wird durch j = -D ∂c/∂x beschrieben, und an der Grenze gilt oft eine Kontinuität des Flusses. Je nach System kann eine Partitionierungskonstante K das Verhältnis zwischen Bulk- und Grenzflächenkonzentrationen festlegen: c^s = K c^b.

Anwendungsbereiche umfassen Korrosion, Batterietechnik, Katalyse, Sensorik, Emulsionsstabilisierung und Membrantrennung.