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.
Konkrete Zielsetzung des wissenschaftlichen Vorprojektes Integriertes Mikroanalysensystem 'VIMAS' ist ein mit Mikrotechniken aufgebautes Fliessinjektionsanalysensystem (FIA-System) fuer den Einsatz dreier Typen von chemischen Sensoren. Als Sensoren wurden der ionensensitive Feldeffekttransistor (ISFET) sowie die amperometrische Elektrode und als optischer Detektor eine Absorptionsmesszelle gewaehlt. Mit den Sensoren ISFET und Elektrode kann ohne zusaetzliche sensitive Schichten der pH-Wert und der geloeste Sauerstoff gemessen werden, mit sensitiven Schichten wird Nitrat und Phenole gemessen werden. Diese Ionophore bzw Enzyme enthaltenden sensitiven Schichten geben Anforderungen an die Ausbau- und Verbindungstechnik vor, da sie Einschraenkungen im Temperaturbereich und bei der Wahl von Chemikalien bei der Gehaeusung verursachen. Die Absorptionsmesszelle wird fuer die optische Detektion der Gelbfaerbung eingesetzt und benoetigt keine sensitive Schicht oder Reagenz fuer die Bestimmung dieses Analyten. Um eine Anordnung zur Fliessinjektionsanalyse zu schaffen, werden zu den Mikrosensoren ein Fluidiksystem bestehend aus mehreren Membranpumpen und einem Kanalsystem - Pumpen wie Kanalsystem sind aus Silicium mittels Mikrotechniken zu fertigen -, eine Systemsteuerung, die Probenvorbereitung, die Immobilisierungsmethoden fuer die sensitiven Komponenten und die Aufbau- und Verbindungstechnik entwickelt. Die analytische Leistungsfaehigkeit hinsichtlich des Nachweises der oben genannten Analyte wird geprueft werden.
Es sind stabile amperometrische Biosensoren auf Basis mediatormodifizierter Redoxelektroden zu entwicklen, die eine spezifische und empfindliche Messung bei geringer Querempfindlichkeit ermoeglichen und damit insbesondere fuer Messungen in komplexen biologischen Medien geeignet sind. Im Vordergrund der Untersuchungen steht zunaechst die Selektion und Charakterisierung effizient und spezifisch wirkender Elektronenmediatoren fuer eine Reihe von Oxidasen, Dehydrogenasen, Zellorganellen und Mikroorganismen. Parallel dazu werden geeignete Immobilisierungsverfahren entwickelt, die sowohl eine Fixierung des Mediators innerhalb des Indikatorelektrodenmaterials als auch eine stabile Immobilisierung des Enzyms bzw Enzymsystems an der modifizierten Elektrodenoberflaeche zum Ziel haben. Experimentelle Untersuchungen erfolgen vor allem Mittels elektrochemischer Messverfahren und spektralphotometrischer Messungen.
Schwermetallionen spielen bei der Reinigung von Galvanikabwaessern eine entscheidende Rolle. Dazu ist die kontinuierliche Messung dieser spezifischen Verbindungen essentielle Voraussetzung, um mit moeglichst geringem Materialeinsatz einen optimalen Reinigungseffekt zu erzielen. Ziel des Projektes ist es, durch Kombination eines mikrobiellen Biosensors mit der 'Flow Injection Analyse' ein einfaches, kostenguenstiges Alternativverfahren zur Schwermetallanalytik fuer die kontinuierliche Ueberwachung und Steuerung biotechnologischer Abwasserbehandlungsverfahren zu entwickeln. Dazu werden als mikrobielle Sensorkomponenten gentechnisch veraenderte Hefen genutzt, die Cu2+, Cd2+ und Zn2+ spezifisch in Form eines positiven Messsignals erfassen koennen. Dazu sind Gene, die bei der Hefe Saccharomyces cerevisiae durch diese drei Schwermetallionen induziert werden, auf einfache Weise mit dem lacZ-Gen von E. coli zu koppeln, deren Genprodukt, die beta-Galactosidase, biochemisch erfasst werden kann. Diese Hefen sind als mikrobielle Sensorkomponenten an amperometrischen Basissensoren auf ihre Eignung zur Messung von Schwermetallbelastungen in der Durchflusszelle eines FIALAB II mit geeigneter Messtechnik zu pruefen. In einem interaktiven Prozess sind Fliesssystem und Biosensor so aufeinander abzustimmen, dass ein Verfahren zur kontinuierlichen Schwermetallueberwachung erarbeitet und in einem Prototyp eines FIA-Monitors umgesetzt wird. Zur Erprobung des Verfahrens und der Sensoren wird dieser FIA-Monitor als Prototyp bei 'G und W Leiterplatten' (Dresden) zur kontinuierlichen Kontrolle der Abwaesser getestet, wo die drei zu messenden Schwermetallionen der Hauptbestandteil sind. Damit kann bei zu hohen Konzentrationen an Cu2+, Cd2+ und Zn2+ fruehzeitig in den Produktionsverlauf eingegriffen und Material als auch aufwendige Abwasser-Reinigungsverfahren eingespart 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).
Sensoren fuer Loesemitteldaempfe und Halogen-Kohlenwasserstoffe besitzen zur Zeit nicht die fuer breiten Industrieeinsatz erforderlichen Eigenschaften. Preis, Lebensdauer und Selektivitaet haben bisher verhindert, dass die dringend erforderliche Umweltueberwachung auf diese Schadstoffe durchgefuehrt wird. Die Entwicklung elektrochemischer Sensoren ist fuer dieses Aufgabengebiet am aussichtsreichsten. In diesem Vorhaben sollen hierfuer geeignete elektrochemische Spurengasdetektoren entwickelt werden. Neben dem klassischen amperometrischen Prinzip sollen auch neue Verfahren entwickelt und getestet werden. In Zusammenarbeit mit der Auergesellschaft (Berlin) sollen nach dem Test von Labormustern (Umwelteinfluesse, Lebensdauer) auch Prototypen gebaut und erprobt werden.
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.
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.
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