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NanoEnergieTechnikZentrum:Eine Chance für nachhaltige Energieversorgungund eine Chance für NRW
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Energie ist das Thema der Zukunft
Sicherung einer nachhaltigen Energieversorgung nur durch Maßnahmenbündel
– Energieerzeugung– Energiespeicherung– Energieeffizienz
Es wird ein Megamarkt für nachhaltige Energietechniken entstehen
Deutsche Wirtschaft muss Vorreiterrolle übernehmen
Thesen: Energieforschung
CeNIDE, Universität Duisburg-Essen, Dr. Alina Leson
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Evolutionäre und revolutionäre Forschung
Verbesserung bestehender und völlig neue
• Materialien, • Methoden, • Systeme und • Verfahren
... beispielsweise durch intelligenten Einsatz von Nanomaterialien
CeNIDE, Universität Duisburg-Essen, Dr. Alina Leson
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Warum Nanomaterialien ?
Über die chemische Zusammensetzung hinaus ...
Eine neue Dimension zum Maßschneidern von Materialien
Größe /
Form
CeNIDE, Universität Duisburg-Essen, Dr. Alina Leson
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Maßschneidern
Gold ... ... ist nicht gleich Gold!
Und Silizium ist nicht gleich Silizium.
CeNIDE, Universität Duisburg-Essen, Dr. Alina Leson
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Nano für Energie?
CeNIDE, Universität Duisburg-Essen, Dr. Alina Leson
➭Zahlreiche, wirtschaftlich relevante Energie-Wandlungsprozesse finden an Grenz- und Oberflächen statt
➭Nanomaterialien sind daher wegen Ihres großen Oberfläche- zu Volumenverhältnisse für die Energietechnologie von besonderem Interesse!
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Übertragung in die Anwendung
Für Nanomaterialien sind hervorragende Eigenschaften nachgewiesen! Breites Anwendungsspektrum im Bereich der Energietechnik tut sich auf!
Dilemma: Verfügbarkeit häufig nur in geringsten Mengen Fragestellung der industriellen Verarbeitbarkeit lassen sich
nicht untersuchen Mögliche Anwendungen liegen brach, weil nicht die gesamte
Herstellungskette untersucht werden kannStrategie: Vergrößere Anlagen in den Technikumsmaßstab Sicherstellen von Arbeitssicherheit und Nachhaltigkeit Bereitstellung von Nanomaterialien für die
Produktentwicklung Weiterentwicklung der Verfahren und Herstellungsprozesse
CeNIDE, Universität Duisburg-Essen, Dr. Alina Leson
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Phase 1: Landesprojekt
NanoEnergieTechnikZentrum: Funktionale Nanopartikel-Kompositmaterialien für energietechnische Anwendungen• Beteiligung am Wettbewerb NanoMikro&Werkstoffe.NRW (4.2008)• Projektstart 7.2009 • Laufzeit: 3 Jahre, Budget ca. 12 Mio€
Partner (aktueller Stand):• Institut für Energie- und Umwelttechnik e.V., IUTA• Zentrum für BrennstoffzellenTechnikGmbH• Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, Mülheim• WWU Münster• diverse Unternehmen (LoI)
CeNIDE, Universität Duisburg-Essen, Dr. Alina Leson
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Strategie
• Entwicklung einer übergreifenden Technologie-Plattform• Realisierung spezifischer, Nano-basierter Systeme mit starken Partnern aus
Industrie und Forschungseinrichtungen
CeNIDE, Universität Duisburg-Essen, Dr. Alina Leson
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•Synthese von Nanopartikel variabler Zusammensetzung, Größe und Morphologie
• Gasphasensynthese bietet Materialien in technisch interessantem Mengenmaßstab und mit hoher Reinheit• Aufbau von Verfahren zur Spraypyrolyse und deren Integration in die
Plasmasyntheseanlage
P1: Nanopartikelsynthese
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Strategie
• Entwicklung einer übergreifenden Technologie-Plattform• Realisierung spezifischer, Nano-basierter Systeme mit starken Partnern aus
Industrie und Forschungseinrichtungen
CeNIDE, Universität Duisburg-Essen, Dr. Alina Leson
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P2: Funktionalisierung, Formulierung, Hybride Materialien
•Funktionalisieren in der Gasphase
•Nasswäsche der Partikel-beladenen Gasströmungen
•Überführung in stabile Dispersionen zur Produktion
•Pyrolyse von beladenen NP-Polymeren
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Strategie
• Entwicklung einer übergreifenden Technologie-Plattform• Realisierung spezifischer, Nano-basierter Systeme mit starken Partnern aus
Industrie und Forschungseinrichtungen
CeNIDE, Universität Duisburg-Essen, Dr. Alina Leson
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P3: Beschichtung, Immobilisierung, Verarbeitung Drucken von Pasten/Schichten
Pressen von Pulvern Tempern / Lasersintern von Schichten
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Strategie
• Entwicklung einer übergreifenden Technologie-Plattform• Realisierung spezifischer, Nano-basierter Systeme mit starken Partnern aus
Industrie und Forschungseinrichtungen
CeNIDE, Universität Duisburg-Essen, Dr. Alina Leson
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Zentrum für Brennstoffzellentechnik
Anwendungsprojekt A1: Brennstoffzellen
a) Langzeitstabilität von Katalysatorträgermaterialien:
- Membranbrennstoffzellen nutzen nanoskalige Platinpartikel als Katalysatoren
- Ziel, die Pt-Menge bei gleich bleibender elektrochemischer Aktivität zu minimieren.
- Wichtig: Alterungsverhalten der Elektroden - erhöhte Temperaturen und wechselnde Potentiale der Elektroden
lassen Pt-Partikel auf der hydrophoben Kohlenstoffschicht wandern und agglomerieren
Verlust von katalytisch aktiver Fläche
CeNIDE, Universität Duisburg-Essen, Dr. Alina Leson
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Zentrum für Brennstoffzellentechnik
Anwendungsprojekt A1: Brennstoffzellen
a) Langzeitstabilität von Katalysatorträgermaterialien:
Ziel: langzeitstabile Elektroden mit möglichst geringer Edelmetallbeladung (<0,1 mg/cm2 Pt) zu entwickeln, die trotzdem höchste Leistungsdichten generieren.
Ansatz: Strukturierung der Katalysatorträgermaterialien gezielt variieren elektrisch leitfähige Trägermaterialien mit nanoskaligen
Ankerpunkten zu versehen, welche die Edelmetallpartikel stabilisieren und deren Agglomeration verhindern.
CeNIDE, Universität Duisburg-Essen, Dr. Alina Leson
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Zentrum für Brennstoffzellentechnik
Anwendungsprojekt A1: Brennstoffzellen
b) Oberflächenmodifikation :
Problem: - In PEM-Brennstoffzellen liegt ein Teil des erzeugten Wassers flüssig vor
- Die am ZBT in Entwicklung befindlichen Mikrobrennstoffzellen müssen dagegen einen passiven Wasseraustrag realisieren.
Ansatz: Strukturen und Oberflächen in der Brennstoffzelle müssen so gestaltet werden, dass die Elektroden weitgehend frei von flüssigem Wasser bleiben.
CeNIDE, Universität Duisburg-Essen, Dr. Alina Leson
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Zentrum für Brennstoffzellentechnik
Anwendungsprojekt A1: Brennstoffzellen
b) Oberflächenmodifikation :
Ziel: Durch eine Nanostrukturierung sollen die Oberflächeneigenschaften der Gasdiffusionslage und der Bipolarplatten gezielt variiert werden.
Durch aufeinander abzustimmende Gradienten von Porosität und Hydrophilie kann ein passiver Abtransport des Wassers unterstützt werden.
CeNIDE, Universität Duisburg-Essen, Dr. Alina Leson
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Charakterisierung,Messtechnik
Theorie, Modelle,Simulation
CharakterisierungSimulation
Alterungs-, Stabilitäts-Untersuchungen
Prozessüberwachung,Sicherheit
NachhaltigkeitSicherheit
Strategie
• Entwicklung einer übergreifenden Technologie-Plattform• Realisierung spezifischer, Nano-basierter Systeme mit starken Partnern aus
Industrie und Forschungseinrichtungen
CeNIDE, Universität Duisburg-Essen, Dr. Alina Leson
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Phase 2: Forschungsbau
Beteiligung Forschungsbau-Ausschreibung• Vollversion genehmigt 5/2009, • Baubeginn: Frühjahr 2010, Bezug Frühjahr 2012• Budget ca. 45 Mio.€
Ziele• Bau und Bezug eines eigenen Forschungsgebäudes• Schwerpunkt auf interdisziplinäre Zusammenarbeit• Abbildung der Prozessketten in spezifischen Labors• Aufbau gemeinsam genutzter Einrichtungen zur Charakterisierung
Phase 3• Ausgründungen• Weitere lokale und regionale Vernetzung• DAS Zentrum für NanoEnergie
CeNIDE, Universität Duisburg-Essen, Dr. Alina Leson
23CeNIDE, Universität Duisburg-Essen, Dr. Alina Leson
• Hauptnutzfläche: ca. 3.900 m2
• 5 Büroetagen mit insgesamt 66 Büros
• 4 Laboretagen mit insgesamt 36 Laboren, Mikroskopiezentrum mit 5 baulich entkoppelten Spezialräumen
• Mitarbeiter:120 Forscher aus den Fakultäten für Chemie, Ingenieurwissenschaften und Physik sowie Forscher der kooperierenden Einrichtungen