a) Herstellung und Optimierung von Elektrode-Membran-Verbuenden fuer die Membranbrennstoffzelle. Es wurde ein Spruehverfahren zur Herstellung von Elektrode-Membran-Verbuenden entwickelt. b) Optimierung der Elektrodenstruktur der Kathode fuer den Betrieb mit Luft bei 1 bar. c) Entwicklung und Charakterisierung von ternaeren Katalysatoren fuer die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle auf der Basis Pt/Ru. d) Herstellung von verbesserten makroporoesen Luftelektroden.
Das Ziel des Verbundprojektes ist die Entwicklung und Verbesserung neuartiger kohlenstoffgeträgerten Legierungsnanopartikel als innovative Katalysatoren für Brennstoffzellen. Hierbei ist eine Untersuchung mittels moderner analytischer Transmissionselektronenmikroskopie unerlässlich. Dieses Teilvorhabens beschäftigt sich mit der elektronenmikroskopischen Untersuchung des Wachstums und der Alterungsprozesse dieser neuartigen Legierungsnanopartikel. Es ist wichtig für die Optimierung der Nanopartikelsynthese in Richtung Kern-Schale-Struktur und zur Verknüpfung der mikrostrukturellen Informationen mit den Ergebnissen der Aktivitätsmessungen. Ein weiteres Ziel ist es, Informationen über die mikrostrukturellen Prozesse der Alterung der Nanopartikel-Träger-Systems zu erlangen und somit einen Beitrag zum Verständnis der Degradationsmechanismen in Brennstoffzellen zu liefern. Auf diese Weise soll im intensiven Informationsaustausch mit den Synthese-Partnern im Verbund eine Optimierung des Katalysatorsystems stattfinden. AP1: Mikrostrukturelle Analytik zur Optimierung der Kern-Schale Struktur Hier werden hinsichtlich ihrer Aktivität vielversprechende binäre und ternäre Platin-TM Nanopartikel untersucht um ihre Struktur im Hinblick auf eine Kern-Schale-Struktur optimiert. Hierzu wird hochauflösende STEM, EDX und EELS verwendet. AP2: Elektronenmikroskopische in-situ Experimente zur Optimierung der Kern-Schale-Struktur Eine gezielte Einstellung von Kern-Schale-Strukturen ist durch Hochtemperaturbehandlung in geeigneten Gasen zu erreichen. Hierzu werden in-situ Experimente im Elektronenmikroskop vorgenommen. AP3: Mikrostrukturelle Auswirkung elektrochemischer Alterungstests Katalysatorpartikel werden zu verschiedenen Zeitpunkten der Synthese sowie vor und nach elektrochemischen Alterungstests analysiert. Diese geben entscheidende Hinweise auf die mikrostrukturellen Degradationsmechanismen und somit zur Verbesserung der Stabilität der hier untersuchten Katalysatorsysteme.
Das Teilvorhaben des Verbundprojekts PtTM@HGS zielt im Wesentlichen auf die Entwicklung neuartiger Katalysatoren für die PEM-Brennstoffzelle, die auf der Basis von gezielt hergestellten Kohlenstoffen synthetisiert werden. Der Beitrag des MPI KOFO erstreckt sich dabei auf drei Teilaspekte: 1) Die Hauptaktivitäten zielen auf die Entwicklung des Katalysatormaterials selbst, daneben ist MPI KOFO aber auch an 2) Untersuchungen zur Optimierung des Aufbaus der MEAs und an 3) der Entwicklung von Verfahren zur ex-situ Aktivierung der Katalysatoren - falls erforderlich - beteiligt. Bei der Katalysatorentwicklung sind zwei Bereiche von besonderer Bedeutung: zum einen geht es durch Optimierung der Legierungszusammensetzung der Platin-basierten Nanopartikel darum, eine möglichst hohe Aktivität und Stabilität der Katalysatoren zu erreichen, zum anderen ist die Entwicklung einer kostengünstigen und besser skalierbaren Synthesemethode von hoher Bedeutung. Zunächst soll eine optimale Legierungszusammensetzung ermittelt werden, mit der in HGS-Materialien die höchste elektrokatalytische Aktivität erzielt werden kann (MPI KOFO AP1.1). Dann soll die Kern-Schale-Struktur, die sich beim Confined Space Alloying im Falle der Pt-Ni-Katalysatoren ausbildet, für das optimale Legierungssystem ebenfalls optimiert werden (MPI KOFO AP1.2). Schließlich soll untersucht werden, inwieweit die Hohlstruktur tatsächlich erforderlich ist, oder ob Vollkugeln mit dem gleichen Mesoporensystem ebenfalls geeignete Trägersysteme sind (MPI KOFO AP1.3). Parallel zu diesen Optimierungsaufgaben soll die Synthese der HGS oder alternativer Kohlenstoffmaterialien aufskaliert werden, so dass genügend große Mengen an Material für die weitergehenden Tests zur Verfügung stehen (MPI KOFO AP2). Schließlich könnte es erforderlich sein, das Verfahren zur ex-situ Aktivierung weiter zu optimieren, möglicherweise müssen auch weitere, alternative Verfahren zur Ozonbehandlung etabliert werden (MPI KOFO AP3).
Metall-Luft-Batterien (MLB) basieren auf der Umwandlung/ Auflösung einer Metallelektrode, was zu einer Volumenänderung der Elektroden und damit einer Änderungen der Dreiphasengrenze aufgrund des verdrängten Elektrolytvolumens und der Produktabscheidung führt. Hohe Energiedichten verursachen daher starke Änderungen der Elektroden-Struktur und Elektrolytlevel und können zu Limitierungen des Stofftransports führen. In diesem Projekt soll am Beispiel der Li/O2-Batterie der Effekt dieser Änderungen auf die Leistungsfähigkeit der Kathode modellbasiert analysiert und quantifiziert werden. Weiterhin wird der Effekt von Redoxmediatoren auf die Leistungsfähigkeit untersucht. Physikochemische Simulationen werden begleitet von gezielten Experimenten; zusammen bieten diese einen tiefen Einblick in den Zustand der Zelle und die limitierenden Prozesse. Schließlich werden die Ergebnisse auf weitere MLB extrapoliert. Ziel ist es, Grenzen der Leistungsfähigkeit der betrachteten Zellen systematisch zu erfassen und Wege zum Erreichen der Idealwerte aufzuzeigen
Im Verbundprojekt MeLuBatt werden Elektrolyte, Anoden- und Kathoden-Materialien für Li-, Na-, Zn-, Mg-, Ca-basierte Metall-Sauerstoff-Batterien (MLB) systematisch untersucht, um Phänomene der Elektrolyt- und Elektrodendegradation gezielt zu verstehen und zu vermindern. Dabei werden bekannte Ergebnisse zur Degradation von Lithium-Ionen-Batterien (LIB) (Elektrolyt, Gasentwicklung, Dendritenbildung) einbezogen, wodurch die Erforschung von MLB stark befruchtet werden soll. Die bisher übersehene Querverbindung der Sauerstoff-Redoxchemie von MLB zum Verhalten von Oxidkathoden in LIB soll untersucht werden. Ziele sind das tiefere Verständnis der Dendritenbildung, die Erhöhung der Zyklenstabilität der Zellen, sowie der Einsatz von effizienten und stabilen Gasdiffusionselektroden. Relevante MLB (Li-, Na-, Zn-, Mg- und Ca-basierte Systeme) sollen hinsichtlich der realisierbaren Energie- und Leistungsdichte untersucht werden, um die vielversprechendsten MLB zu identifizieren und zu optimieren
Sauberes (Trink)-Wasser ist eine unabdingbare Lebensnotwendigkeit für eine nachhaltige Entwicklung unserer Industriegesellschaft. Der weltweite Bedarf an sauberem Wasser wird durch Bevölkerungs- und industrielles Wachstum steigen, während die Wasserverfügbarkeit durch Klimawandel, übermäßige Nutzung von Grundwasserreserven und Ausbreitung von ariden und semi-ariden Regionen sinkt. Die Bereitstellung von sauberem Wasser wurde deshalb als ein dringendes Handlungsfeld für die nächsten Jahrzehnte identifiziert. Im Rahmen des Projektes soll die Entfernbarkeit von Wirkstoffen, welche immer häufiger in Abwässern, insbesondere in dem von Krankenhäusern oder Altenheimen auftreten, untersucht werden. Weiterhin soll die in industriellen Abwässern häufig auftretende, schwer entfernbare Substanzklasse der aliphatischen Verbindungen beispielhaft untersucht werden. Dazu soll parallel in einer Elektrolysezelle Ozon und Wasserstoffperoxid oder alternativ Wasserstoffperoxid und OH-Radikale hergestellt werden. Dabei wird Wasserstoffperoxid elektrochemisch mit einer Gasdiffusionselektrode (GDE) aus Sauerstoff hergestellt und OH-Radikale bzw. Ozon mittels einer Bor-dotierten Diamantelektrode (BDD) durch Elektrolyse des Wassers. Die Kombination aus Wasserstoffperoxid und OH-Radikalen stellt eine neue und besonders effektive Kombination zur Behandlung von Abwasser dar, weil dabei sowohl an der Anode (*OH-Radikale) wie auch an der Kathode (H2O2) starke Oxidationsmittel entstehen.
In den biologischen Reinigungsstufen kommunaler Kläranlagen können zahlreiche aromatische und kurzkettige aliphatische Verbindungen aufgrund ihrer hohen Stabilität im Regelfall nicht oder nur sehr eingeschränkt abgebaut werden. Solche schwer abbaubaren Verbindungen sind beispielsweise Pharmaka, Pflanzenschutzmittel und Insektizide. Hinzu können gesundheitsschädliche Keime kommen, wenn das Abwasser aus Krankenhäusern stammt. In diesem Projekt soll parallel in einer Elektrolysezelle Ozon und Wasserstoffperoxid (Reaktorkonzept 1) oder alternativ Wasserstoffperoxid und OH-Radikale (Reaktorkonzept 2) hergestellt werden. Dabei wird Wasserstoffperoxid elektrochemisch mit einer Gasdiffusionselektrode (GDE) aus Sauerstoff hergestellt und OH-Radikale bzw. Ozon mittels einer Bor-dotierten Diamantelektrode (BDD) durch Elektrolyse des Wassers. Die Kombination aus Wasserstoffperoxid und OH-Radikalen stellt eine neue und besonders effektive Kombination zur Behandlung von Abwasser dar. In diesem Reaktorkonzept wird die eingesetzte Energie maximal genutzt, da nutzbare Oxidationsmittel an beiden Elektroden gebildet werden (sog. 200%-Zelle). Ziel dieses Projektes ist es, erstmals dieses effektive Abwasserbehandlungskonzept in einer skalierbaren Form bis zu einem industrierelevanten Labormaßstab umzusetzen
Die Reinhaltung sowie ein ressourcenschonender Umgang mit natürlichen Gewässer sind die Grundpfeiler einer nachhaltigen Wasserwirtschaft. Schwer abbaubare Organik in aufbereitetem Abwasser stellt eine große Herausforderung für ein umweltfreundliches Wassermanagement dar. Die Wiederverwendung von Prozesswasser in industriellen Wasserkreisläufen erfordert eine Entfernung störender Rückstände. In kommunalen Kläranlagen werden schwerabbaubare organische Rückstände, z.B. Pharmaka, nur unzureichend eliminiert und in die aquatische Umwelt eingeleitet. In dem BMBF geförderten Verbundprojekt RADAR wird die persistente Organik mittels OH-Radikalen weitgehend mineralisiert. Das elektrochemische Modul zur Erzeugung der OH-Radikale besteht aus einer neuartigen Elektrodenkombination von bordotierter Diamantelektrode und Gasdiffusionselektrode. An beiden Elektroden werden sehr reaktive Spezies erzeugt und können so dem Abwasser zur Oxidation hinzugegeben werden. Auf diese Weise werden die elektrochemische Ausbeute und die Effizienz der Abwasserbehandlung erhöht. Gegenstand der Untersuchung ist es ein skalierbares Design für das elektrochemische Modul zu entwerfen. Vorab werden im Labormaßstab die Eigenschaften der einzelnen Elektroden untersucht, um den gemeinsamen Betrieb eng aufeinander abzustimmen. Zudem wird der Abbau von persistenten Modellmolekülen im Hinblick auf hohe Abbauraten und Stromausbeuten sowie Oxidationsnebenprodukten untersucht.
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| Bund | 29 |
| Wissenschaft | 16 |
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| Offen | 29 |
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| Deutsch | 29 |
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| Boden | 18 |
| Lebewesen und Lebensräume | 9 |
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