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NanoEnergieTechnikZentrum:Eine Chance für nachhaltige Energieversorgungund eine Chance für NRW

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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

Thesen: Energieforschung

CeNIDE, Universität Duisburg-Essen, Dr. Alina Leson

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Evolutionäre und revolutionäre Forschung

Verbesserung bestehender und völlig neue

• Materialien, • Methoden, • Systeme und • Verfahren

... beispielsweise durch intelligenten Einsatz von Nanomaterialien


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Warum Nanomaterialien ?

Über die chemische Zusammensetzung hinaus ...

Eine neue Dimension zum Maßschneidern von Materialien

Größe /

Form


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Maßschneidern

Gold ... ... ist nicht gleich Gold!

Und Silizium ist nicht gleich Silizium.


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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!

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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 kannStrategie: Vergrößere Anlagen in den Technikumsmaßstab Sicherstellen von Arbeitssicherheit und Nachhaltigkeit Bereitstellung von Nanomaterialien für die

Produktentwicklung Weiterentwicklung der Verfahren und Herstellungsprozesse


8CeNIDE, Universität Duisburg-Essen, Dr. Alina Leson

Skalierung!

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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)


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Strategie

• Entwicklung einer übergreifenden Technologie-Plattform• Realisierung spezifischer, Nano-basierter Systeme mit starken Partnern aus

Industrie und Forschungseinrichtungen


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•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

P1: Nanopartikelsynthese

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Strategie




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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

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Strategie




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P3: Beschichtung, Immobilisierung, Verarbeitung Drucken von Pasten/Schichten

Pressen von Pulvern Tempern / Lasersintern von Schichten

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Strategie




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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


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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.


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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.


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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.


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Charakterisierung,Messtechnik

Theorie, Modelle,Simulation

CharakterisierungSimulation

Alterungs-, Stabilitäts-Untersuchungen

Prozessüberwachung,Sicherheit

NachhaltigkeitSicherheit

Strategie




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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


23CeNIDE, Universität Duisburg-Essen, Dr. Alina Leson

• Hauptnutzfläche: ca. 3.900 m2

• 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

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Vielen Dank fürIhre

Aufmerksamkeit


www.cenide.de

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