Es ist allgemein akzeptiert, dass die Sorption an oxidischen Mineralien den vorherrschenden natürlichen Mechanismus zur Verringerung der Mobilität von Schadstoffen darstellt. Um die potentielle Remobilisierbarkeit abschätzen zu können, ist es jedoch nicht ausreichend, die Sorption in konventionellen Batch- oder Säulen-Versuchen zu untersuchen, da hierbei nur eingeschränkt auf bestimmte Scenarien abgezielt werden kann. Vielmehr ist die lokale Struktur der sich bildenden Oberflächenbindungen zu charakterisieren, um daraus die Entwicklung der Bindungsstärken bei Veränderung der physikochemischen Eigenschaften des Milieus voraussagen zu können. Strukturelle Kenntnisse durch Oberflächenspektroskopie erlauben zum einen, qualitativ die Stabilität der Oberflächenkomplexe abzuschätzen (einzahnig oder mehrzahnig). Zum anderen ermöglichen sie es, einen Bezug zwischen der mikroskopischen Struktur und den vorliegenden oder zu prognostizierenden makroskopischen Mobilitätsdaten als dualen Ansatz eines realitätsnahen Adsorptionsmodells herzustellen. Die Auseinandersetzung mit diesem modernen dualen Ansatz ist bisher in der umweltgeochemischen Lehre und Forschung in Deutschland wenig vertreten und sollte daher eine Bereicherung mit guten Aussichten auf Erfolg darstellen.
Hydroflux ist ein vielversprechender neuer, ressourceneffizienter Syntheteseansatz für bekannte und neue Verbindungen, insbesondere, aber nicht ausschließlich Oxide und Hydroxide. Hierbei kommen Mischungen von Alkalimetallhydroxiden und Wasser in Molverhältnissen von etwa 1:1, d.h. ultrabasische Medien, zum Einsatz. Die Bedingungen des Hydroflux' liegen zwischen denen der konventionellen Hochtemperatur-Alkaliflussmittel-Synthesen und Hydrothermalsynthesen. Die benötigten Temperaturen im Hydroflux liegen typischerweise bei 180 Grad C bis 230 Grad C und damit deutlich niedriger als bei alkalischen Flussmittelsynthesen. Der sich entwickelnde Druck ist viel geringer als bei der solvothermalen Synthese, daher werden keine Hochdruck-Autoklaven benötigt. Die Reaktionen sind innerhalb von Stunden vollständig abgelaufen, also viel schneller als die meisten traditionellen Hochtemperaturreaktionen. Unser Ziel ist es, das nur teilweise erschlossene Potenzial der Hydrofluxsynthese zu erforschen und weitere Erkenntnisse über die entscheidenden Reaktionsparameter und die Redoxprozesse zu gewinnen. Der Fokus auf Oxo- und Hydroxometallate magnetischer Kationen bietet eine zusätzliche Sonde für Oxidationszustände. Dazu sollen wesentliche chemische, strukturelle und physikalische Eigenschaften der erhaltenen Materialien bestimmt werden. Da sich die Redoxchemie des Sauerstoffs und auch die Basizität mit dem Alkalimetall ändert, sind diverse Alkali- und Erdalkalimetallhydroxide sowie deren Gemische zu prüfen. Darüber hinaus sind der Einfluss des Wassergehalts und das Vorhandensein von molekularem Sauerstoff zu bewerten. Typische Kristallzüchtungstechniken, wie z. B. die Verwendung von Temperaturgradienten und Keimkristallen, sind an Hydrofluxreaktionen anzupassen.
Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung hochaktiver, selektiver und stabiler zeolithischer Redoxkatalysatoren für die selektive Reduktion von Stickstoffoxiden mit Ammoniak. Zu diesem Zweck werden durch Kombination katalytischer Untersuchungen mit Studien zur physikochemischen Charakterisierung von Aktivkomponente und Matrix (Methoden: EPR, ferromagnetische Resonanz (FMR), Mößbauerspektroskopie, EXAFX, XPS, ISS, UV-Vis, IR, Raman, XRD) gesicherte Erkenntnisse über die erforderliche Struktur der Redoxkomponente und der zeolithischen Matrix erarbeitet, die in verbesserte Präparationsstrategien für eine neue Katalysatorgeneration umgesetzt werden. Bezüglich der Strukturierung der Übergangsmetallkomponente ist durch Kombination katalytischer mit spektroskopischen Techniken zwischen der Wirkung isolierter Ionen auf Kationenplätzen sowie intra- bzw. extra-zeolithischer Oxidaggregate zu differenzieren, wobei dem Beweis der katalytischen Relevanz von Spezies über spektroskopische in situ-Studien (EPR, UV-Vis, Raman, EXAFS) besondere Bedeutung zukommt (1.-3. Jahr).
Hochtemperaturbrennstoffzellen mit keramischem Festelektrolyt (SOFC: Solid Oxide Fuel Cell) sind aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades und ihrer Umweltvertraeglichkeit eine zukunftsweisende Alternative gegenueber konventioneller Energieerzeugung. Die Leistungsfaehigkeit und Lebensdauer der Einzelzellen sind dabei entscheidende Kriterien fuer die wirtschaftliche Nutzung von Brennstoffzellen. Bisherige Untersuchungen haben ergeben, dass es bei Langzeitbetrieb zu irreversiblen Veraenderungen in der Mikrostruktur der Anode kommt, die zu einer Senkung der Leistungsfaehigkeit fuehren. Je nach Belastung der Einzelzellen treten unterschiedliche Degradationsmechanismen auf. Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung einer Anode, die aus mehreren Funktionsschichten besteht, um so die noetige Leistungsfaehigkeit und Langzeitstabilitaet zu liefern. Es soll ein Gradient in der Korngroesse, dem Nickelanteil und somit der Porositaet und der elektrischen Leitfaehigkeit erreicht werden, da die einzelnen Bereiche der Anodenstruktur unterschiedlichen Anforderungen genuegen muessen. So sind an der Grenzschicht Elektrolyt/Anode kleine Koerner erwuenscht, um eine moeglichst grosse Reaktionsflaeche zu erhalten. Wohingegen an der Grenzflaeche Anode/Interkonnektor ein hoher Anteil an grossen Nickelkoernern erforderlich ist, um einen guten elektrischen Kontakt und hohe Porositaet zu gewaehrleisten. Die optimale Zusammensetzung und Mikrostruktur der einzelnen Funktionsschichten soll durch systematische Belastungstests (elektrisch, chemisch, thermomechanisch) an verschiedenen homogenen Modellstrukturen, das sind Cermetproben aus Nickel- und YSZ-Teilchen mit definierter, homogener Zusammensetzung und Mikrostruktur, und durch die elektrochemische Charakterisierung von Einzelzellen mit entsprechenden homogenen Anodenstrukturen ermittelt werden. Vor und nach Durchfuehrung der Belastungstests ist eine umfassende Analyse der Zusammensetzung und Mikrostruktur der Modell- und Anodenstrukturen mittels Elektronenmikroskopie (REM, TEM, EDX, WDX) vorgesehen. Anhand der gewonnenen Ergebnisse soll ein Modell fuer die verschiedenen Verlust- und Degradationsmechanismen in der Anode entwickelt werden.
Die Verwitterung von Gesteinen, die Bodenbildung und die Sedimentbildung beinhalten u.a. die Struktur, Morphologie und den Chemismus von Phyllosilikaten (Tonmineralen), Oxiden und Oxidhydroxiden des Fe, des Mn und anderer Elemente. Durch Laborversuche an synthetischen FeOOH und MnO2 werden deren Reaktionen und Bildungsbedingungen naeher ermittelt und beschrieben.
TOPCon Solarzellen (Tunnel Oxide Passivating Contact) wurden in den letzten Jahren von vielen Forschungsinstituten und Firmen entwickelt und werden nun zunehmend in industrieller Produktion hergestellt und kommerziell vertrieben. Dabei werden Zellspannungen von knapp über 700 mV erreicht und Wirkungsgrade von 23.0% bis 23.8% erzielt. Die Spannung solcher Zellen wird vor allem durch die Rekombination auf der Vorderseite limitiert, weshalb als nächster Schritt eine Verbesserung der Zellvorderseite notwendig ist. Um optische Verluste durch parasitäre Absorption zu vermeiden, sind dafür strukturierte passivierte Kontakte notwendig. Entwickelt werden soll eine Prozess-Sequenz zur kostengünstigen Herstellung solcher strukturieren passivierten Kontakte. Diese soll in den Standardprozess für TOPCon Solarzellen eingebunden werden und basiert auf lokaler Laserdotierung von poly-Silizium zur Herstellung von in alkalischer Lösung ätzstabilen p+ poly-Silizium-Bereichen. Auf diese Weise sollen auf der Vorderseite der Solarzelle lokale passivierte Kontakte implementiert werden, um den Wirkungsgrad der Solarzelle, vor allem durch eine erhöhte Zellspannung von 715-720 mV, deutlich zu steigern. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit des Verfahrens zur Herstellung solcher lokalen Kontakte besteht bei IBC Solarzellen (interdigitated back contact). Hierbei ermöglicht die lokale Behandlung durch den Laser die Herstellung separater p+ dotierter poly-Silizium Bereiche. Im Teilprojekt des ISC werden vor allem die Schichtentwicklung, die Laserprozessentwicklung und die Entwicklung der Zellstrukturen bearbeitet. Das überragende Ziel des ISC ist es, kosteneffiziente Prozessfolgen für TOPCon und IBC Solarzellen mit strukturierten passivierten Kontakten zu entwickeln, die sich in die industrielle Fertigung überführen lassen.
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