Ziel des Gesamtvorhabens AlSiBat ist es die perspektivischen Realisierungsmöglichkeiten von Me/Luft Batterien - insbesondere von Al/Luft und Si/Luft Batterien - in Hinblick auf wichtige Eigenschaften wie Wiederaufladbarkeit, Zyklenfestigkeit und Umweltverträglichkeit untersuchen und die in diesen Batterien verwendbaren Werkstoffe weiter zu entwickeln. Ziele der Teilprojekte am IEK-9 sind die Identifikation der grundlegenden elektrochemischen Prozesse und Transportmechanismen sowie der Vorgänge an den Grenzschichten, wobei diese auf atomistischer und makroskopischer Ebene experimentell untersucht werden. Anhand der Zusammenhänge sollen die Mechanismen die die Eigenschaften der Batterien bestimmen erkannt und darauf aufbauend eine systematische Materialentwicklung in diesem Bereich betrieben werden. Am IEK-9 werden drei Teilprojekte bearbeitet. Anodenseitig werden neue Elektrodenmaterialien auf der Grundlage von Al- und Si-basierten Legierungen entwickelt; auf der Kathodenseite wird die Eignung von Kohlenstoff-Trägermaterialien mit Übergangsmetallkatalysatoren für die Batterien untersucht. Die mikroskopischen Transformationsvorgänge und Transportmechanismen werden mit NMR und XPS, die makroskopischen elektrochemischen Charakteristika werden unter variierenden Umgebungsbedingungen mit Chronoamperometrie, Zyklovoltametrie und EIS analysiert. Die Grenzflächeneigenschaften werden mit XPS, AFM, EPR und 'rotating-disc' Techniken untersucht.
Das Vorhaben zielt auf die Loesung grundlegender Kompatibilitaetsprobleme zwischen den Hochtechnologien Mikrosystemtechnik und Biotechnologie, um die Biosensorik auf der Basis mikroelektronischer Technologien einer breiten Anwendung zugaenglich zu machen. Dabei werden neuartige Mikroelektrodenarrays entwickelt, die sich technologisch und strukturell grundlegend voneinander unterscheiden und in vergleichenden Untersuchungen hinsichtlich ihrer Eigenschaften, als Transducer fuer amperometrische Biosensoren zu fungieren, validiert. Durch die Adaption mikroelektronischer Verfahren zum Aufbringen gassensitiver bzw. semipermeabler Membranen sowie eines stabilisierten biologischen Rezeptorsystems auf Si-strukturierte Sensorstrukturen, sind die Voraussetzungen fuer die Entwicklung von MST-Biosensoren zu schaffen. Modellhaft wird das Konzept sowohl am Beispiel eines Immunosensorsystems als auch eines Enzymsensors zur immunochemischen Bestimmung des umweltrelevanten Pestizids 2,4-Dichlorphenoxiessigsaeure (2,4-D) bzw. zur enzymatischen Messung anorganischen Phosphats erprobt.
Das Vorhaben hat eine schnelle, selektive und kostenguenstige Bestimmung von Nitrat und Nitrit zum Ziel, die durch zwei simultan betriebene amperometrische Biosensoren in Kombination mit einem FIA-System realisiert werden soll. Fuer diese Zielstellung werden Prototypen planar strukturierter Einwegsensoren entwickelt, die FIA-tauglich sind. Die zu stabilisierenden Reduktasen werden mittels einer selbsthaftenden Hydrogelmatrix direkt auf den Arbeitselektroden der Sensoren immobilisiert. Die Sensoren sollen ueber einfach und schnell fixierende Durchflussmesszellen in das Fluidsystem eingekoppelt werden. Die Durchflussmesszellen sind unter Verwendung von Mikropeltierelementen zu thermostatieren. Das PC-gesteuerte Messsystem, das aus kommerziell verfuegbaren Fluidikelementen aufgebaut wird, soll bei Verwendung eines geeigneten Probesammlers eine Messfrequenz von mindestens 30 Proben pro Stunde ermoeglichen. Als Proben sind Grund- und Oberflaechenwasser, Abwasser und waessrige Bodeneluate zu untersuchen. Darueber hinaus ist das Messsystem modular zu konfigurieren, d h eine Erweiterung der Analytpalette durch Integration anderer amperometrischer (Bio)sensoren zuzulassen.
Das Ziel des Projektes besteht in der Entwicklung mikrobieller Sensoren fuer die Bestimmung von Umweltkontaminanten, die mit herkoemmlichen Methoden nur mit hohem apparativen und zeitlichen Aufwand oder mit zu geringen Empfindlichkeiten analysiert werden koennen. Dazu werden optische oder elektrochemische Messsonden mit immobilisierten Mikroorganismen oder Zellen kombiniert, die bei Kontakt mit den entsprechenden Umweltschadstoffen ein konzentrationsanaloges Signal liefern. Vorrangig werden Fluoreszenz, UV/VIS-Absorption bzw. Amperometrie und Potentiometrie als Detektionsmethoden eingesetzt. Die zu entwickelnden Sonden sollen insbesondere zur direkten Messung der Umweltschadstoffe vor Ort dienen. Das Projekt zielt auf die Entwicklung von Sonden zur schnellen Bestimmung von Schadstoffen, Schadstoffgruppen und Summenparametern in waessrigen Medien ab. Ein besonderer Schwerpunkt ist die Ueberwachung von Oberflaechengewaessern und Deponiesickerwasser, wobei die mikrobiellen Sonden als Alarmmelder bei Ueberschreitung von Grenzwerten fungieren sollen.
Im Rahmen eines Verbundprojektes mit der Universitaet Rostock, Sektion Chemie, ist geplant, einen amperometrischen Schwefelwasserstoff-Sensor fuer in-situ-Messungen in Waessern und Porenwaessern der Sedimente zu entwickeln. Einerseits soll der Schwefelwasserstoff-Sensor entwickelt und an eine CTD adaptiert werden und diese wiederum in einem Schleppkoeper eingebaut werden. Hiermit soll im Bereich der Schwentiner Seen und der Muritz kontinuierlich und flaechendeckend die Parameter, Leitfaehigkeit, Temperatur, Druck, Sauerstoff, pH, Truebung und Schwefelwasserstoff bestimmt werden. Im H2S Milieu sollen parallel dazu Wasserproben zur Bestimmung der Naehrstoff- und Schwermetallkonzentrationen entnommen werden. Andererseits sollen anschliessend in den anoxischen Milieus die Sedimente mittels eines staionaeren Messsondenstabs (pH, T, H2S) und eines in situ-Porenwassersammlers auf Schwermetalle untersucht werden. Somit kann ueber das gesamte Profil Wasser/Sediment einerseits der Eutrophierungszustand und die Schwermetallbelastung andererseits die Remobilisationseffekte und das Belastungspotential aus Sediment bestimmt werden.
Voraussetzung fuer die Sanierungsmoeglichkeit von Seen generell ist die Kenntnis der Gewaesserguete. Spezielle Probleme bei geogen-schwefelsauren Bergbaurestseen bereiten die Schwefelwasserstoff-Gehalte sowie die bei niedrigen pH-Werten leichter loeslichen Schwermetalle. Das von uns entwickelte Fliessanalysensystem fuer die H2S/Sulfid Analytik, bestehend aus einem amperometrischen Detektor und einer Kalibriereinheit, ist in der Lage on-line exakt die H2S Konzentration im Wasser zu ermitteln. Desweiteren koennen mit Hilfe eines transportablen elektrochemischen Analysensystems (Inversvoltammetrie) off-line vor Ort die geloesten Schwermetallkonzentrationen bestimmt werden und somit eine direkte Abhaengigkeit von pH, T H2S- und Schwermetallkonzentration bestimmt werden. Mit Hilfe der vorgeschlagenen inversvoltametrischen Messmethode koennen die speziellen Elementspezies (z.B. Fe2+/Fe3+) ermittelt werden. Unser wissenschaftliches Interesse an einer Beteiligung im Rahmen eines Sanierungskonzeptes ist der Kenntniszuwachs bei: 1. dem praktischen Einsatz unseres Systems und die Aufzeichnung der Gewaesserguete im Jahresgang und fuer den gesamten Wasserkoerper, 2. der Charakterisierung der Sulfidspezies in Abhaengigkeit von pH und vom Milieu und zwar unter natuerlichen Bedingungen, 3. dem Chemismus saurer Seen, zur Pyritoxidation in Seen, zur Neutralisierung und Faellung von im Sauren geloesten Metallen, 4. der Bildung von Metallsulfiden im Sediment (Mineralphasenanalyse).
Temperaturunabhaengige resistive Sauerstoffsensoren auf der Basis poroeser Bulkmaterialien (selbsttragende Sensor-Substrate) - Keramische Sauerstoffsensoren auf Zirkonoxidbasis werden seit Jahren als Lambda-Sonde zur Ueberwachung und Regelung von Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Diese Sonde kann die sehr grossen Sauerstoffpartialdruckwechsel bei herkoemmlichen Ottomotoren sicher erkennen. Dieselmotoren und umweltvertraegliche dh emissionsarme Magermotoren arbeiten jedoch stets mit einem Sauerstoffueberschuss. Zur schadstoffarmen Regelung der Verbrennung benoetigt man daher einen Sensor, der im Bereich von 1-20 Prozent den Sauerstoffgehalt im Abgas auf ein Prozent genau misst. Ebenso wird von diesem Sensor eine hohe Lebensdauer (mehr als 3000 h), geringe Drift und eine schnelle Ansprechzeit erwartet (ca 10 ms). Bisherige Sonden erreichen diese hohe Genauigkeit nicht, da ihr Signal stark von der Sensortemperatur abhaengt, welche im Abgas um bis zu 100 Grad Celsius schwankt. Am Institut fuer Werkstoffe der Elektrotechnik wird seit vielen Jahren unter der Leitung von Prof Dr rer nat K H Haerdtl an der Entwicklung von resistiven Sauerstoffsensoren gearbeitet. Dabei dient der elektrische Widerstand der Proben als Sensorsignal, im Gegensatz zum potentiometrischen- oder amperometrischen Messprinzip der herkoemmlichen Lambda-Sonden. Neueste Messungen an verschiedenen Metalloxiden zeigen, dass die Temperaturabhaengigkeit des elektrischen Widerstandes durch gezielte Werkstoffentwicklung von Mischkristallsystemen stark reduziert werden kann, waehrend die Sauerstoffsensitivitaet erhalten bleibt. Im Rahmen des Projekts wird ein funktionstuechtiger Sensor als selbsttragendes Sensor-Substrat entwickelt und die Grundlagen der Sauerstoffdiffusion in diesem System untersucht. Umweltrelevanz: Schnelle Sauerstoffsensoren fuer die Bestimmung des Sauerstoffgehalts im Abgas von emissionsarmen Magermotoren werden entwickelt, die eine gezielte Motorregelung und somit eine Reduzierung des Schadstoffgehalts im Abgas des Kraftfahrzeugs ermoeglichen.
Resistive Dickschicht-Sauerstoffsensoren mit temperaturunabhaengiger Kennlinie zur Anwendung in Magermotoren - Keramische Sauerstoffsensoren auf Zirkonnoxidbasis werden seit Jahren als Lambda-Sonde zur Ueberwachung und Regelung von Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Diese Sonde kann die sehr grossen Sauerstoffpartialdruckwechsel bei herkoemmlichen Ottomotoren sicher erkennen. Dieselmotoren und umweltvertraegliche dh emissionsarme Magermotoren arbeiten jedoch stets mit einem Sauerstoffueberschuss. Zur schadstoffarmen Regelung der Verbrennung benoetigt man daher einen Sensor, der im Bereich von 1-20 Prozent den Sauerstoffgehalt im Abgas auf ein Prozent genau misst. Ebenso wird von diesem Sensor eine hohe Lebensdauer (mehr als 3000 h), geringe Drift und eine schnelle Ansprechzeit erwartet (ca 10 ms). Bisherige Sonden erreichen diese hohe Genauigkeit nicht, da ihr Signal stark von der Sensortemperatur abhaengt, welche im Abgas um bis zu 100 Grad Celsius schwankt. Am Institut fuer Werkstoffe der Elektrotechnik wird seit vielen Jahren unter der Leitung von Prof Dr rer nat K H Haerdtl an der Entwicklung von resistiven Sauerstoffsensoren gearbeitet. Dabei dient der elektrische Widerstand der Proben als Sensorsignal, im Gegensatz zum potentiometrischen- oder amperometrischen Messprinzip der herkoemmlichen Lambda-Sonden. Neueste Messungen an verschiedenen Metalloxiden zeigen, dass die Temperaturabhaengigkeit des elektrischen Widerstandes durch gezielte Werkstoffentwicklung von Mischkristallsystemen stark reduziert werden kann, waehrend die Sauerstoffsensitivitaet erhalten bleibt. Im Rahmen des Projekts wird ein funktionstuechtiger Sensor in Schichttechnik entwickelt und die Grundlagen der Mechanismen der Temperaturabhaengigkeit untersucht. Umweltrelevanz: Schnelle Sauerstoffsensoren fuer die Bestimmung des Sauerstoffgehalts im Abgas von emissionsarmen Magermotoren werden entwickelt, die eine gezielte Motorregelung und somit eine Reduzierung des Schadstoffgehalts im Abgas des Kraftfahrzeugs ermoeglichen.
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