Die Entwicklung auf dem Gebiet der Polymeren zum Verpacken von Lebensmitteln geht derzeit verstaerkt in Richtung einer Erhoehung der Schutzwirkung gegen negative Umwelteinfluesse und der Lagerzeiten. Eine erhebliche gesundheitliche Bedeutung kommt hierbei der Kontamination von Lebensmitteln durch die technisch notwendigen und unvermeidlichen Kunststoffinhaltsstoffe zu, die durch Migration in Lebensmittel gelangen und u.a. unguenstige chemische Reaktionen eingehen koennen. Die bisherigen Methoden lassen nur begrenzte oder ungenuegende Aussagen ueber das Migrationsproblem und die entsprechenden stofflichen Wechselwirkungen zu. Es wird daher versucht, neue Messmethoden zu entwickeln, die es gestatten, in Kombination mit Analysegeraeten der modernen instrumentellen Analytik auch kleinste Mengen an fluechtigem und nicht fluechtigem Migrat bzw. dessen Umsetzungsprodukten im komplexen Naturstoffgemischen schnell und quantitativ nachzuweisen. Das Forschungsvorhaben wird im wesentlichen unter folgenden zwei Aspekten durchgefuehrt: 1. Durch Aehnlichkeitsbetrachtungen und Modelluntersuchungen unter Einbeziehung 'echter' Kunststoffadditive und Lebensmittel soll das Ausmass der Migration innerhalb kurzer Zeit abschaetzbar gemacht werden. 2. Es werden vertieft die physikalischen und chemischen Wechselwirkungen zwischen Kunststoffinhaltsstoffen und Lebensmittelbestandteilen untersucht. Dabei wird insbesondere die Wechselwirkung mit essentiellen und nur in geringer Konzentration vorliegenden Lebensmittelbestandteilen wie Vitamine, Spurenelemente, Aromakomponenten u.a. beruecksichtigt.
Batterien auf Polymerbasis haben in den letzten Jahren aufgrund ihrer interessanten Eigenschaften großes Forschungsinteresse auf sich gezogen. Zu ihren Vorzügen zählen ihr geringes Gewicht, die Möglichkeit, auf kritische Metalle zu verzichten, die Nutzung verfügbarer Elemente und ihre bessere Nachhaltigkeit bei Herstellung und Wiederverwertung. In den vergangenen Jahren wurden verschiedene redoxaktive Polymere untersucht, was zu vielen Strukturmotiven führte, die als potenzielle Elektrodenmaterialien identifiziert wurden. Derzeit sind allerdings nur begrenzt verschiedene Anodenmaterialien verfügbar. In diesem Zusammenhang werden in diesem Gemeinschaftsprojekt der FSU Jena und der JLU Giessen neue redoxaktive Polymere entwickelt, die auf drei Strukturmotiven basieren: Benzimidazole, Benzoxazole und Benzothiazole, die alle pyridyl-substituiert sind. Die resultierenden (elektrochemischen) Eigenschaften können durch die Substituenten und das Heteroatom im Fünfring (-NH-, NR-, -O-, -S-) eingestellt werden. Ein kombinierter theoretischer (JLU) und experimenteller (FSU) Screening-Ansatz wird verwendet, um die vielversprechendsten aktiven Materialien zu identifizieren. Zunächst werden geeignete Redox-Einheiten durch Berechnung und theoretisches Screening verschiedener Modellverbindungen mittels DFT untersucht. Darüber hinaus werden Redox-Einheiten mit vielversprechenden Eigenschaften synthetisiert und ihre elektrochemischen Eigenschaften untersucht. Basierend auf diesem ersten Screening werden geeignete Einheiten für die Integration in Polymere ausgewählt. Der zweite Schritt des Projekts ist die Modellierung der Polymere sowie ihre Synthese und die Untersuchung ihrer elektrochemischen Eigenschaften. Die Polymermaterialien mit den besten Eigenschaften werden für die Herstellung von Elektroden verwendet werden. Diese Elektroden werden in (Halb) Zelltests getestet.
Obwohl eine große Anzahl redox-aktiver Bausteine basierend auf kleinen Molekülen und Polymeren bekannt ist, wurde bisher wenig über deren relative molekulare Ausrichtung und Anordnung in Polymermaterialien untersucht. Jedoch haben nicht-kovalente Wechselwirkungen sowie der Einfluss von kristalliner Ordnung und hierarchische Strukturierung durch Mehrkomponentensysteme einen signifikanten Einfluss auf die Batterieleistung. In diesem gemeinsamen Projektvorschlag werden systematische Vergleichsstudien redox-aktiver Bausteine in linearen Polymeren gegenüber deren Einbau in kovalent-organischen Gerüsten (COFs) durchgeführt. Lineare Polymere haben den Vorteil, dass Sie durch ihre Flexibilität die geladenen Bausteine mit supramolekularen Wechselwirkungen (pi-Stapelung) durch interne Aggregation stabilisieren können. Dahingegen sind die analogen zweidimensionalen COFs bereits intrinsisch gestapelt, haben jedoch den Nachteil der mikrokristallinen Struktur mit nur limitierter Elektrolytendiffussion. Die Synthese neuer 2D-COFs (Arbeitsgruppe Dumele) und deren korrespondierende lineare Polymere (Arbeitsgruppe Esser), die jeweils direkt vergleichbare redox-aktiven Untereinheiten tragen, sollen innerhalb dieses SPP-Projekts realisiert werden. Dabei werden fundamentale Mechanismen der Ladungs- und Radikalstabilisierung mit spektroskopischen und elektrochemischen Methoden untersucht. Es werden vergleichbare Batteriezellen aus COFs und linearen Polymeren als aktives Elektrodenmaterial hergestellt (Arbeitsgruppe Esser) und eine ausführliche Struktur-Leistung-Beziehung ausgearbeitet. Basierend auf diesen Erkenntnissen werden versprechende Materialtypen weiter an den entsprechenden Parametern gezielt verbessert. Zum Beispiel können bei zu niedrigem Ladungstransport in den COFs zusätzliche leitfähige Polymere in deren Poren eingebettet werden, um die Limitationen dieses Materials zu überwinden. Weiterhin werden DFT-Rechnungen zur Unterstützung dieser Untersuchungen durchgeführt. Die Ergebnisse dieses Verbundprojektes über Polymerbatterien basierend auf flexiblen und kristallinen Grundgerüsten wird bei der fundamentalen Entwicklung von zukünftigen Energiespeichern eine entscheidende Rolle spielen.
Reifen sind unverzichtbare Elemente der Mobilität. Wegen den einzigartigen Eigenschaften werden sie ausschließlich auf Basis von Kautschuken hergestellt. Dem organischen Polymer Kautschuk werden im Herstellungsprozess des Reifens noch weitere organische Materialien (wie z.B. Ruße oder Öle) zugemischt. Neben der Zugabe dieser Komponenten entstehen bei der Herstellung von Reifen entlang einer Mischerlinie und der anschließenden Weiterverarbeitung (bspw. Reifenheizpressen) allerdings auch volatile organische Komponenten (VOCs). Da momentan kein Material bekannt ist, welches die Reifen - Kautschuke ersetzen kann, ist es erforderlich, die Emission von VOCs bei der Reifenherstellung weitestgehend zu minimieren. Die Aufgabe des zur Förderung beantragten Vorhabens ist die Entwicklung einer nachhaltigen und Ressourcen schonenden Behandlung der VOC-haltigen Abgase. Die bislang eingesetzten Technologien (insbesondere Regenerative Nachverbrennung, ggf. mit vorheriger Aufkonzentration der Abgase) erfüllen diese Anforderungen nicht. Sie verursachen nicht nur unmittelbare Kohlendioxidemissionen durch Einsatz von fossilen Brennstoffen, sondern erweisen sich in der industriellen Praxis als betrieblich nachteilig bzw. anfällig. Der zur Förderung beantragte Ansatz ist prozessintegriert, nutzt ohnehin im Mischprozess eingesetzte Stoffströme als Adsorbenzien, kommt ohne fossile Brennstoffe aus und vermeidet betriebliche Probleme bisher eingesetzter Technologien. Mit dem Verfahren lassen sich somit bspw. die Kosten für Energie und CO2-Zertifikate deutlich reduzieren.
Ziel dieses gemeinsamen Projektes von IPF Dresden und FSU Jena ist die Entwicklung neuartiger Polymerelektrolyte, komplementär zu relevanten Modell-Aktivmaterialien, für polymerbasierte Batterien. Die zu entwickelnden Elektrolyte werden mit polymerchemischen Mitteln hinsichtlich Ionentransport, Morphologie, thermischer und elektrochemischer Stabilität und Kompatibilität mit den Elektroden (z.B. Aktivmaterial und Leitadditiv) maßgeschneidert. Neben der Erforschung prinzipieller Transportmechanismen, soll das Projekt einen Beitrag zum besseren Verständnis des Einflusses von Elektrolytstruktur und der Grenzflächen zu den Elektroden auf die Zellleistung und, als Hauptziel, neue Erkenntnisse über den Zusammenhang von chemischer und morphologischer Struktur der Zellkomponenten und Batterieverhalten liefern. Dafür werden zuerst polymere Ionenleitersysteme für Einzelionen synthetisiert, die für Aktivmaterialen, die einen Anionentransport erfordern, geeignet sind. Der zweite Ansatz zielt darauf, auch Systeme mit einer Umkehr des Ladungstransports zu untersuchen, hierfür werden Aktivmaterialien mit geladenen Spezies ausgerüstet. Weiterhin werden Triblock-Copolymere entwickelt, die alle für eine molekulare Batterie notwendigen Komponenten enthalten.
Dieses Projekt zielt darauf ab, synthetisches und elektrochemisches Fachwissen zu kombinieren, um die Entwicklung neuer kleiner elektroaktiver organischer Moleküle und deren Einarbeitung in Polymere voranzutreiben. Die am häufigsten untersuchten organischen Radikalbatteriesysteme basieren auf TEMPO-haltigen Polymeren. Um jedoch ihre Leistung und insbesondere ihre Energiedichte zu verbessern, sind neuartige kleinere organische redoxaktive Moleküle dringend erforderlich. Hierbei konzentrieren wir uns auf die kleinsten bekannten redoxaktiven organischen Spezies, nämlich Derivate von Cyclopropeniumkationen und Quadratsäureamiden. Sie sollen als Bausteine für eine neue Klasse von redoxaktiven Polymeren dienen, die sich als Materialien zur elektrochemischen Energiespeicherung eignen. Diese redoxaktiven Polymermaterialien in Organischen Radikalbatterien müssen eine Reihe von Kriterien erfüllen: (i) stabile und reversible Redoxzustände, (ii) einfacher synthetischer Zugang, sowie (iii) große positive und/oder negative Redoxpotenziale, um hohe Vollzellenspannungen zu erhalten.
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