Materialien für die Energiewende

a) Metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs)

Sie gehören zu den Spitzenreitern in Bezug auf die spezifische Oberfläche (bis zu 7000 m2/g!) und sind ideale Kandidaten für Gasspeicheranwendungen, Gasreinigungsverfahren (Energieträger, z.B. Wasserstoff) und Trennverfahren. Die Gruppe hat bis heute zahlreiche hochporöse MOFs entwickelt, welche als DUT-n (DUT = Dresden University of Technology) bezeichnet werden und weltweit zu den Spitzenreitern in Bezug auf Porosität und Gasspeichervermögen gehören (Abb. 1).

Abb. 1: Ausgewählte MOF-Architekturen aus Dresden (DUT = Dresden University of Technology)

Einige DUTs zeigen schaltbare Porosität, ein neuartiges und einzigartiges Merkmal im Bereich der porösen Materialien. Ein neues, gegen die Intuition gerichtetes Phänomen, welches kürzlich bei der Untersuchung von DUT-49 entdeckt wurde, ist die negative Gasadsorption (NGA, Abb. 2). Der Gasauswurf im Verlauf der Adsorption ist ein Resultat der spontanen Kompression von DUT-49 in eine engporige Form von DUT-49.

Abb. 2: Porenkontraktion des hochporösen Netzwerks DUT-49

Links:

http://www.nature.com/nature/journal/v532/n7599/abs/nature17430.html

http://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2014/CS/C4CS00101J

http://www.metal-organic-frameworks.eu/

http://eu.wiley.com/WileyCDA/WileyTitle/productCd-3527338748.html

b) Nanoporöse Kohlenstoffmaterialien

Lithium-Schwefel-Batterien gehören zu den vielversprechendsten Lithiumionenbatterien der nächsten Generation. Mit bis zu 400 Wh/kg Energieinhalt übertreffen sie etablierte Lithiumionenzellen um einen Faktor von mehr als 100 %. Superkondensatoren bieten extrem hohe Leistungsdichten und Zyklenstabilität (> 1 Mio. Zyklen) und werden daher für die Energierückgewinnung (z.B. Bremsenergie, Automobil) eingesetzt. Beide Technologien benötigen hochporöse und z.T. funktionalisierte Kohlenstoffmaterialien mit genau eingestellter Porenradienverteilung. Wir entwickeln hierarchisch poröse Kohlenstoffmaterialien und dotierte Kohlenstoffmaterialien für derartige Applikationen.

Porengroessendesign — Abb. 3: Porengrößendesign von nanoporösen Kohlenstoffmaterialien für Superkondensatoren und Batterien

Das Verständnis von Adsorptionsprozessen in porösen Kohlenstoffmaterialien ist essentiell, um die Leistungsfähigkeit poröser Kohlenstoffmaterialien in unterschiedlichen Applikationen zu steigern, z.B. als Elektrodenmaterialien in Elektrolytdoppelschichtkondensatoren. Für die Untersuchung derartiger Prozesse ist es notwendig, wohldefinierte Porenradienverteilungen bereit zu stellen. Eine Möglichkeit, mikroporöse (Porengröße < 2 nm) Kohlenstoffmaterialien mit einheitlicher Porengröße zu synthetisieren, ist die Chlorierung von Carbiden (sog. Carbide Derived Carbon, CDC). Dabei werden Metalle oder Halbmetalle selektiv aus der Carbidmatrix herausgeätzt. Durch geeignete Wahl des Carbidpräkursors und Chlorierungstemperatur kann die Porengröße mit hoher Genauigkeit eingestellt werden (Abb. 4).

Abb. 4: Syntheseschema für Carbide-Derived-Carbons

Größere Poren auf der Mesoskala (2—50 nm) oder Makroporen (>50 nm) können mit der sogenannten Templatmethode hergestellt werden. Dabei wird zwischen Weich- und Harttemplat unterschieden (Auch als Nanocasting bezeichnet). Bei Verwendung von Harttemplaten werden feste Strukturen mit einem Kohlenstoffpräkursor infiltriert. Nach thermischer Carbonisierung wird das Harttemplat durch Ätzmethoden entfernt. Je nach Porenstruktur des Templates ist eine vielfältige Variation von Porengröße, Konnektivität und Geometrie möglich.

Abb. 5: Harttemplatmethode zur Synthese mesoporöser Kohlenstoffmaterialien

Weichtemplate entstehen durch Selbstassemblierungsprozesse amphiphiler Moleküle und dienen als Porenbildner, indem sie in Lösung Mizellen bilden. Die Zugabe des Kohlenstoffpräkursors führt zur Assemblierung um die Mizelle gefolgt von der meist thermisch induzierten Vernetzung des Präkursors und nachfolgender Karbonisierung.

Links:

http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/mh/c3mh00112a#!divAbstract

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201409439/abstract

c) Perowskit-Solarzellen

Solarzellen sind essentielle Systeme zur Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie. Neue kostengünstige und leicht zu prozessierende Materialien sind wichtig für Innovationen und die Verbreitung der Photovoltaik. Wir entwickeln neue Solarabsorbermaterialien auf Basis des Elementes Bismut, um das toxische Blei in Perowskitsolarzellen zu ersetzen.