Grenzflächen zwischen Feststoffen und Flüssigkeiten sind zentrale Elemente in (photo-)elektrokatalytischen Energieumwandlungskonzepten und elektrochemischen Energiespeichersystemen, die beispielsweise Niedertemperatur-Elektrolyseuren, Brennstoffzellen und konventionellen Lithium-Ionen-Batterien zugrunde liegen. Die komplexen Wechselwirkungen zwischen der Flüssigkeitsstruktur an der Grenzfläche und elementaren Prozessen wie katalytischen Elektronen- oder Ionentransferreaktionen stellen eine besondere Herausforderung für das Verständnis und die Kontrolle dieser elektrisierten Grenzflächen auf atomarer Ebene dar.
Dies verzögert derzeit maßgebliche Fortschritte aufgrund bekannter Einschränkungen. Dazu zählen unzureichende Selektivitäten bei der Erzeugung chemischer Brennstoffe, die Abhängigkeit von seltenen oder toxischen Katalysator-/Batteriematerialien, beispielsweise in Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEM), und chemische Instabilitäten, die mit der Bildung einer selbstpassivierenden SEI einhergehen und zu einer unkontrollierten Morphologie in Li-Ionen-Batterien führen. Der Mangel an Erkenntnissen schränkt nicht nur unsere Fähigkeit ein, neue Kombinationen von Elektrodenmaterialien und flüssigen Elektrolyten zu entdecken, sondern auch die sich bietenden Möglichkeiten zu ergreifen: die Erforschung und Nutzung der enzymähnlichen Eigenschaften von 3D-Nanostrukturen, die durch die morphologische Top-down- und Bottom-up-Gestaltung der Grenzfläche zunehmend zugänglich werden.
Nur ein deutlich verbessertes Verständnis diverser Faktoren wird zu den erforderlichen transformativen Fortschritten führen. Dazu zählen die spezifischen Wechselwirkungen zwischen Lösungsmittel, Ionen, Reaktanden und Feststoffen sowie ein dielektrisches Screening über große Entfernungen auf molekularer Ebene, d. h. die Beschaffenheit und Dynamik der elektrochemischen Doppelschicht. Diese Erkenntnisse sollen es ermöglichen, die Entwicklung von Elektrolyten mit neuen Eigenschaften voranzutreiben, die Beschaffenheit der Feststoffoberfläche durch Dotierung maßzuschneidern sowie ihre Struktur durch Formgebung oder Erzeugung lokaler Nanostrukturen anzupassen. Dadurch lässt sich eine optimale Schnittstelle für die angestrebten Prozesse und Funktionalitäten schaffen.