How Surface and Substrate Chemistry Affect Slide Electrification

When water droplets move over a hydrophobic surface, they and the surface become oppositely charged by what is known as slide electrification. This effect can be used to generate electricity, but the physical and especially the chemical processes that cause droplet charging are still poorly understood. Here, we investigate the influence of the chemistry of surface (coating) and bulk (substrate) on the slide electrification. We show that the charge of the first droplet depends on both coating and substrate chemistry. For a fully fluorinated or fully hydrogenated monolayer on glass, the influence of the substrate on the charge of the first droplet is negligible. In a later the state, the chemistry of the substrate dominates. Charge separation can be considered as an acid base reaction between the ions of water and the surface. By exploiting the acidity (Pearson hardness) of elements such as aluminum, magnesium, or sodium, a positive saturated charge can be obtained by the counter charge remaining on the surface. With this knowledge, the droplet charge can be manipulated by the chemistry of the substrate.

Wenn sich Wassertröpfchen über eine hydrophobe Oberfläche bewegen, werden sie und die Oberfläche 
durch die so genannte Gleitelektrifizierung entgegengesetzt aufgeladen. Dieser Effekt kann zur Stromerzeugung genutzt werden, aber die physikalischen und vor allem die chemischen Prozesse, die die Aufladung der Tröpfchen bewirken, sind noch wenig verstanden.  Hier untersuchen wir den Einfluss der Chemie der Oberfläche (Beschichtung) und des Trägermaterials (Substrat) auf die Elektrifizierung. Wir zeigen, dass die Aufladung des ersten Tröpfchens sowohl von der Chemie der Beschichtung als auch von der des Substrats abhängt. Für eine vollständig fluorierte oder vollständig hydrierte Monoschicht auf Glas ist der Einfluss des Substrats auf die Ladung des ersten Tröpfchens vernachlässigbar. In einem späteren Zustand dominiert die Chemie des Substrats . Die Ladungstrennung kann als Säure-Base-Reaktion betrachtet werden zwischen den Ionen des Wassers und der Oberfläche. Durch Ausnutzung des Säuregehalts (Pearson-Härte) von Elementen wie Aluminium, Magnesium oder Natrium kann eine positive gesättigte Ladung durch die an der Oberfläche verbleibende Gegenladung erzeugt werden. Mit diesem Wissen lässt sich die Tröpfchenladung durch die Chemie des Substrats manipuliert werden.