Fronten, Wellen und stationäre Muster in elektrochemischen Systemen

Abstract

Oszillatorisches Verhalten ist bei nahezu allen elektrochemischen Reaktionen in einem bestimmten, wenn auch in manchen Fällen kleinen Bereich der externen Parameter beobachtet worden. Es ist jedoch erst während der letzten zehn Jahre gelungen, eine einheitliche Erklärung für das Auftreten dieser zeitlichen Selbstorganisationsphänomene bei den chemisch völlig unterschiedlichen elektrochemischen Reaktionen zu geben. Dieser Durchbruch gelang durch die Anwendung von Methoden und Konzepten, die in der nichtlinearen Dynamik entwickelt wurden, um die spontane Bildung von Ordnung in unterschiedlichen Disziplinen zu beschreiben. Dies ist wiederum nur möglich, weil auf einem gewissen Abstraktionsniveau diese Gesetzmäßigkeiten universell sind. Oszillationen sind nur eine mögliche Manifestation nichtlinearen Verhaltens. Beispiele anderer Erscheinungsformen, die häufig mit zeitlichen Instabilitäten eng verbunden sind, sind räumliche Strukturen und Wellen. Ausgelöst durch den theoretischen Fortschritt sowie die Entwicklung neuer experimenteller Methoden wurden während der letzten Jahre gezielte Untersuchungen zur räumlichen Musterbildung in elektrochemischen Systemen durchgeführt, die inzwischen in vielen Fällen eine Vorhersage erlauben, unter welchen Bedingungen eine räumliche oder zeitliche Strukturbildung zu erwarten ist. Dies eröffnet Perspektiven, nichtlineare Effekte zu nutzen, etwa zur Ausbeutesteigerung bei elektrokatalytischen Reaktionen. In diesem Aufsatz werden die physikalisch‐chemischen Mechanismen diskutiert, die zur Musterbildung in elektrochemischen Systemen führen, gleichzeitig werden die übergeordneten allgemeinen Prinzipien betont, die auch für Selbststrukturierungsprozesse in vielen chemischen und biologischen Systemen verantwortlich sind.

Trapping Electrochemical Oscillations between Self‐Organized Potential Walls

“…It is well known that electrochemical oscillations may arise owing to the interaction of a negative differential resistance (NDR) in the current‐potential characteristic and some ohmic potential drop through the electrolyte 1–3. Less known is that the formation of spatial structures is highly favored in a system possessing an NDR if part of the ohmic resistance is compensated, either due to the use of a Haber–Luggin capillary or with an external electronic circuitry 4–6.…”