Transcript 3NETZ-ZBT - Didaktik der Physik - Universität Duisburg
NanoEnergieTechnikZentrum:
Titel Titel Titel Titel
Eine Chance für nachhaltige Energieversorgung und eine Chance für NRW
Thesen: Energieforschung
Energie ist das Thema der Zukunft Sicherung einer nachhaltigen Energieversorgung nur durch Maßnahmenbündel – – – Energieerzeugung Energiespeicherung Energieeffizienz Es wird ein Megamarkt für nachhaltige Energietechniken entstehen Deutsche Wirtschaft muss Vorreiterrolle übernehmen CeNIDE, Universität Duisburg-Essen, Dr. Alina Leson
2
Evolutionäre und revolutionäre Forschung
Verbesserung bestehender und völlig neue • • • • Materialien, Methoden, Systeme und Verfahren ... beispielsweise durch intelligenten Einsatz von
Nanomaterialien
CeNIDE, Universität Duisburg-Essen, Dr. Alina Leson
3
Warum Nanomaterialien ?
Über die chemische Zusammensetzung hinaus ...
Eine neue Dimension zum Maßschneidern von Materialien CeNIDE, Universität Duisburg-Essen, Dr. Alina Leson
4
Maßschneidern
Gold ...
... ist nicht gleich Gold!
Und Silizium ist nicht gleich Silizium.
CeNIDE, Universität Duisburg-Essen, Dr. Alina Leson
5
Nano für Energie?
➭ Zahlreiche, wirtschaftlich relevante Energie Wandlungsprozesse finden an Grenz- und Oberflächen statt ➭ Nanomaterialien sind daher wegen Ihres großen Oberfläche- zu Volumenverhältnisse für die Energietechnologie von besonderem Interesse!
CeNIDE, Universität Duisburg-Essen, Dr. Alina Leson
6
Übertragung in die Anwendung
Für Nanomaterialien sind hervorragende Eigenschaften nachgewiesen!
Breites Anwendungsspektrum im Bereich der Energietechnik tut sich auf!
Dilemma:
Verfügbarkeit häufig nur in geringsten Mengen Fragestellung der industriellen Verarbeitbarkeit lassen sich nicht untersuchen Mögliche Anwendungen liegen brach, weil nicht die gesamte Herstellungskette untersucht werden kann
Strategie:
Vergrößere Anlagen in den Technikumsmaßstab Sicherstellen von Arbeitssicherheit und Nachhaltigkeit Bereitstellung von Nanomaterialien Produktentwicklung Weiterentwicklung für die der Verfahren und Herstellungsprozesse
7
CeNIDE, Universität Duisburg-Essen, Dr. Alina Leson
Skalierung!
CeNIDE, Universität Duisburg-Essen, Dr. Alina Leson
8
Phase 1: Landesprojekt
NanoEnergieTechnikZentrum: Funktionale Nanopartikel Kompositmaterialien für energietechnische Anwendungen
• Beteiligung am Wettbewerb NanoMikro&Werkstoffe.NRW (4.2008) • • Projektstart 7.2009 Laufzeit: 3 Jahre, Budget ca. 12 Mio€
Partner (aktueller Stand):
• Institut für Energie- und Umwelttechnik e.V., IUTA • • Zentrum für BrennstoffzellenTechnikGmbH Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, Mülheim • • WWU Münster diverse Unternehmen (LoI) CeNIDE, Universität Duisburg-Essen, Dr. Alina Leson
9
Strategie
• • Entwicklung einer übergreifenden Technologie-Plattform Realisierung spezifischer, Nano-basierter Systeme mit starken Partnern aus Industrie und Forschungseinrichtungen CeNIDE, Universität Duisburg-Essen, Dr. Alina Leson
10
P1: Nanopartikelsynthese
• Synthese von Nanopartikel variabler Zusammensetzung, Größe und Morphologie • Gasphasensynthese bietet Materialien in technisch interessantem Mengenmaßstab und mit hoher Reinheit • Aufbau von Verfahren zur Spraypyrolyse und deren Integration in die Plasmasyntheseanlage
11
Strategie
• • Entwicklung einer übergreifenden Technologie-Plattform Realisierung spezifischer, Nano-basierter Systeme mit starken Partnern aus Industrie und Forschungseinrichtungen CeNIDE, Universität Duisburg-Essen, Dr. Alina Leson
12
P2: Funktionalisierung, Formulierung, Hybride Materialien
• Funktionalisieren in der Gasphase • Nasswäsche der Partikel-beladenen Gasströmungen • Überführung in stabile Dispersionen zur Produktion • Pyrolyse von beladenen NP-Polymeren
13
Strategie
• • Entwicklung einer übergreifenden Technologie-Plattform Realisierung spezifischer, Nano-basierter Systeme mit starken Partnern aus Industrie und Forschungseinrichtungen CeNIDE, Universität Duisburg-Essen, Dr. Alina Leson
14
P3: Beschichtung, Immobilisierung, Verarbeitung
Drucken von Pasten/Schichten Pressen von Pulvern Tempern / Lasersintern von Schichten
15
Strategie
• • Entwicklung einer übergreifenden Technologie-Plattform Realisierung spezifischer, Nano-basierter Systeme mit starken Partnern aus Industrie und Forschungseinrichtungen CeNIDE, Universität Duisburg-Essen, Dr. Alina Leson
16
Zentrum für Brennstoffzellentechnik
Anwendungsprojekt A1: Brennstoffzellen
a) Langzeitstabilität von Katalysatorträgermaterialien: Membranbrennstoffzellen nutzen nanoskalige Platinpartikel als Katalysatoren Ziel, die Pt-Menge bei gleich bleibender elektrochemischer Aktivität zu minimieren. Wichtig: Alterungsverhalten der Elektroden erhöhte Temperaturen und wechselnde Potentiale der Elektroden lassen Pt-Partikel auf der hydrophoben Kohlenstoffschicht wandern und agglomerieren Verlust von katalytisch aktiver Fläche
17
CeNIDE, Universität Duisburg-Essen, Dr. Alina Leson
Zentrum für Brennstoffzellentechnik
Anwendungsprojekt A1: Brennstoffzellen
a) Langzeitstabilität von Katalysatorträgermaterialien: Ziel: langzeitstabile Elektroden mit möglichst geringer Edelmetallbeladung (<0,1 mg/cm2 Pt) zu entwickeln, die trotzdem höchste Leistungsdichten generieren. Ansatz: Strukturierung der Katalysatorträgermaterialien gezielt variieren elektrisch leitfähige Trägermaterialien mit nanoskaligen Ankerpunkten zu versehen, welche die Edelmetallpartikel stabilisieren und deren Agglomeration verhindern .
18
CeNIDE, Universität Duisburg-Essen, Dr. Alina Leson
Zentrum für Brennstoffzellentechnik
Anwendungsprojekt A1: Brennstoffzellen
b) Oberflächenmodifikation : Problem: - In PEM-Brennstoffzellen liegt ein Teil des erzeugten Wassers flüssig vor - Die am ZBT in Entwicklung befindlichen Mikrobrennstoffzellen müssen dagegen einen passiven Wasseraustrag realisieren. Ansatz: Strukturen und Oberflächen in der Brennstoffzelle müssen so gestaltet werden, dass die Elektroden weitgehend frei von flüssigem Wasser bleiben.
19
CeNIDE, Universität Duisburg-Essen, Dr. Alina Leson
Zentrum für Brennstoffzellentechnik
Anwendungsprojekt A1: Brennstoffzellen
b) Oberflächenmodifikation : Ziel: Durch eine Nanostrukturierung sollen die Oberflächeneigenschaften der Gasdiffusionslage und der Bipolarplatten gezielt variiert werden. Durch aufeinander abzustimmende Gradienten von Porosität und Hydrophilie kann ein passiver Abtransport des Wassers unterstützt werden.
20
CeNIDE, Universität Duisburg-Essen, Dr. Alina Leson
Strategie
• • Entwicklung einer übergreifenden Technologie-Plattform Realisierung spezifischer, Nano-basierter Systeme mit starken Partnern aus Industrie und Forschungseinrichtungen Charakterisierung, Messtechnik
Charakterisierung Simulation
Theorie, Modelle, Simulation Alterungs , Stabilitäts Untersuchungen
Nachhaltigkeit Sicherheit
Prozessüberwachung, Sicherheit CeNIDE, Universität Duisburg-Essen, Dr. Alina Leson
21
Phase 2: Forschungsbau
Beteiligung Forschungsbau-Ausschreibung
• • • Vollversion genehmigt 5/2009, Baubeginn: Frühjahr 2010, Bezug Frühjahr 2012 Budget ca. 45 Mio.€
Ziele
• • • • Bau und Bezug eines eigenen Forschungsgebäudes Schwerpunkt auf interdisziplinäre Zusammenarbeit Abbildung der Prozessketten in spezifischen Labors Aufbau gemeinsam genutzter Einrichtungen zur Charakterisierung
Phase 3
• • • Ausgründungen Weitere lokale und regionale Vernetzung DAS Zentrum für NanoEnergie CeNIDE, Universität Duisburg-Essen, Dr. Alina Leson
22
CeNIDE, Universität Duisburg-Essen, Dr. Alina Leson • Hauptnutzfläche: ca. 3.900 m 2 • 5 Büroetagen mit insgesamt 66 Büros • 4 Laboretagen mit insgesamt 36 Laboren, Mikroskopiezentrum mit 5 baulich entkoppelten Spezialräumen • Mitarbeiter: 120 Forscher aus den Fakultäten für Chemie, Ingenieurwissenschaften und Physik sowie Forscher der kooperierenden Einrichtungen
23
CeNIDE, Universität Duisburg-Essen, Dr. Alina Leson
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
www.cenide.de
24