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Anwendung der Nanowissenschaft in der Energietechnik

J.Uhlenbusch Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf. Anwendung der Nanowissenschaft in der Energietechnik.

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Anwendung der Nanowissenschaft in der Energietechnik

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  1. J.UhlenbuschHeinrich-Heine-Universität Düsseldorf Anwendung der Nanowissenschaft in der Energietechnik 1. 50 Jahre Nanotechnologie2. Methoden zur Untersuchung von Nano-Strukturen3. Verfahren zur Herstellung und Eigenschaften von Nano-Strukturen4. Zukünftige Beiträge der Nanowissenschaft zur Energiegewinnung 5. Spannungsabfälle an Grenzflächen (Thermoelektrischer Generator, Solarzellen, Batterien)6. Katalytische Vorgänge an Grenzflächen (Wasserstoffproduktion mit Sonnenlicht) 7. Nanoporöse Materialien (Wasserstoffspeicherung)8. Ausblick9. Literatur

  2. 1. 50 Jahre Nanotechnologie Cicero„Alles kommt aus kleinen Dingen“ Richard Feynman (1918-1988)1959: „There is plenty of room at the bottom“„Es gibt noch viel Platz am unterenEnde (der Längenskala) makroskopischer und mikroskopischer Körper“und„…, ob wir die Atome in einer gewünschten Weise anordnen können, die einzelnen Atome, ganz da unten?“

  3. 1. 50 Jahre Nanotechnologie 1931 Ernst Ruska Transmissions-Elektronenmikroskop 1939 Helmut Ruska Sichtbarmachung von Viren 1942 Zworykin Raster-Elektronenmikroskop 1959 Feynman Vision 1974 Taniguchi Nanotechnologie 1981 Binnig und Rohrer Raster- Tunnel-Mikroskop 1985 Kroto et al. Fullerene 1986 Binnig Atom- Kraft- Mikroskop 1986 Drexler „Engines of Creation“ „Nanoprophet“ 1991 Jijima Nanoröhren

  4. 2. Methoden zur Untersuchung von Nanostrukturen Definition: Nanowissenschaft befasst sich mit der Unter- suchung, Herstellung und Anwendung von Strukturen mit einer Größe<100nm. Ziel: Nanowissenschaft arbeitet auf einer molekularen Ebene und erstellt Strukturen, Geräte und Systeme, die wegen ihrer geringen Abmessung neuartige Eigenschaften und Funktionen besitzen. Strategie: Multi-und Inter-Disziplinarität Untersuchungsmethoden: a) Photonische Verfahren Klassisches Mikroskop: Auflösung nur 300 nm Röntgenmikroskop: Auflösung 5 nm Fluoreszenzspektroskopie: Einzelmolekülnachweis Röntgendiffraktion: geordnete Oberflächenstrukturen Röntgenabsorption: amorphe Oberflächenstrukturen

  5. 2. Methoden zur Untersuchung von Nanostrukturen Nahfeldspektroskopie • Elektronische VerfahrenTransmissions-Elektronenmikroskopie:oft Kontrasterhöhung durch Einlagerung von schweren TeilchenerforderlichRaster-Elektronenmikroskopie: oftKontrasterhöhung durchBeschichtung der Objekte mit Metall erforderlichRöntgen-Photoelektronen-SpektroskopieAuger-Elektronen-SpektroskopieElektronen-Beugungsverfahren • Streuverfahren mit schweren TeilchenIonen-RückstreuungRutherford RückstreuungNeutronenstreuung 3d-Bilder, schlechte Auflösung

  6. 2. Methoden zur Untersuchung von Nanostrukturen d) „Abtastverfahren“ Raster-Tunnel-Mikroskop (STM) Abbildung der Oberfläche arbeitet nur gut bei ebenen, leitenden Oberflächen Vermessung von Clusteroberflächen nicht möglich Nachweis von Grenzflächenstrukturen schwierig „Korral“, gebildet aus Oberflächenatomen

  7. 2. Methoden zur Untersuchung von Nanostrukturen d) „Abtastverfahren“ Raster-Kraft-Mikroskop (AFM)

  8. 3. Verfahren zur Herstellung und Eigenschaften von Nano-Strukturen Ultrapräzise Oberflächenbearbeitung Top-Down-Strategie, nach [ 1 ]

  9. 3. Verfahren zur Herstellung und Eigenschaften von Nano-Strukturen KugelmühleTop-Down-Strategie Leistungsfähigkeit von Kugelmühlen

  10. 3. Verfahren zur Herstellung und Eigenschaften von Nano-Strukturen Elektronenstrahl-Lithographie(ähnlich Laser- Lithographie)Top-Down-Strategie ,nach [ 1 ]

  11. 3. Verfahren zur Herstellung und Eigenschaften von Nano-Strukturen , nach [ 1 ]

  12. 3. Verfahren zur Herstellung und Eigenschaften von Nano-Strukturen Weitere Bottom-Up-Strategien • Molekularstrahl-Epitaxie (MBE)erlaubt Herstellung dünner und dicker Schichten im nm-Bereichgroßflächiges Aufsprayen von Atomen möglich • Laser-Ablationsverfahren (PLD) • Nanomontage durch „Jump-to-contact“ nach [2] • Dip-Pen-Lithographie nach [2]

  13. 3. Verfahren zur Herstellung und Eigenschaften von Nano-Strukturen • Herstellung und Nachweis von Fullerenen Signal am Massenspektrometer • Erzeugung von Nanopulver inHF-Entladungen • (Plasmaunterstützte)Gasphasen-Kondensation

  14. 3. Verfahren zur Herstellung und Eigenschaften von Nano-Strukturen Simulationsrechnung zum Temperaturverhalten von C60 und Nanoröhre mit eingeschlossenem C60 plus Na-Ion,nach [3] Fullerene Nanoröhre Fulleren (C 60 ) C60 besteht aus 12 Fünf- und 20 Sechsecken-hohe Temperaturbeständigkeit-hohe mechanische Festigkeit

  15. 3. Verfahren zur Herstellung und Eigenschaften von Nano-Strukturen Elektrisches Verhalten von Kohlenstoff-nanoröhren, nach [4] metallisch Halb-metallisch Halbleiter

  16. 3. Verfahren zur Herstellung und Eigenschaften von Nano-Strukturen • Halbleiter-Nanokristalle (sog. künstliche Atome)Eigenschaften-Halbleiter-Kristalle mit Abmessung 1-10 nm-herstellbar als Quantenpunkt (3d), Quanten- schacht (2d), Quantendraht (1d)-enthalten 100-1000 Elektronen, Löcher , Elektron-Loch -Paare (sog. Exzitonen),1000-100000 Atome-Abmessung skaliert mit de`Broglie Wellenlänge der Elektronen- Energiezustände der Elektronen nahezu diskret,resultieren aus Abmessung und Form der Kristalle sowie Tiefe der PotentialtöpfeVorteile für die Energieumwandlung-größere Nano-Kristalle besitzen viele und dicht liegende Energieniveaus erlaubt Absorption (und Emission) auch energiearmer Photonen -Verbindung untereinander und mit elektrischen Leitern über Tunnelbarrieren möglich Beeinflussung desElektronentransports-kurzfristige Energiespeicherung durch Absorption von Photonen oder Aufnahme von Elektronen hohe Effizienz für Photovoltaik und Katalyse-Vielfacherzeugung von Ladungsträgern durch Stoßionisation (inverser Auger-Effekt) Steigerung des Photostroms und katalytischer UmwandlungsratenPhysikalischer Hintergrund, nach [5]-Eigenschaft als Energiespeicher verschlechtert sich durch Energie übertragende Stöße zwischen heißen Ladungsträgern und LO- (longitudinal optischen) Phononen, Fall a),siehe Folie 17

  17. 3. Verfahren zur Herstellung und Eigenschaften von Nano-Strukturen • Physikalischer Hintergrund, nach [5], Forts.,-quantisierte, diskrete Energieniveaus der heißen Elek-tronen liegen weiter auseinander als Phononenenergie, daher Energie übertragende Stöße uneffektiv (gilt nicht für Löcher) Abkühlzeit verlängert, Fall b)-bei verlängerter Abkühlzeitzeit wird Erzeugung zusätzlicher Elektron-Loch-Paare durch Stoßionisation sehr wahrscheinlich-Auger-Übergänge mit Übertragung der Überschuss-energie auf Löcher und dann effektiv auf Phononenunerwünscht, lässt sich durch Positionierung der Löcherauf Oberfläche der Quantenpunkte verhindern, Fall c)

  18. 3. Verfahren zur Herstellung und Eigenschaften von Nano-Strukturen • Physikalischer Hintergrund, Forts.

  19. 4. Zukünftige Beiträge der Nano-Wissenschaft zur Energiegewinnung Als besonders wichtig erkannte Forschungsaufgaben: (nach [4], DOE-Report „Nanoscience Research for Energy Needs“, 2.ed.,June 2005) 1.Aufspaltung von H2O in H2 und O2 mit Sonnenlicht  2.Katalytische Vorgänge zur Effizienzsteigerung energieaufwändiger chemischer Prozesse 3.Solarzellen mit 20% Effizienz bei Reduktion der Erstellungskosten um den Faktor 100 5.Leichte Materialien hoher Festigkeit für Auto, Flugzeug,.. 6.Reversible Speicherung von H2 bei Zimmertemperatur 7.Hochspannungsleitungen für 1Gigawatt Übertragungsleistung 8.Billig Brennstoffzellen, Batterien, Ultrakondensatoren 9.Neue Materialien und Energiegewinnungsverfahren, die Mechanismen biologischer Systeme nachahmen Übergreifende, Grundlagen orientierte Bereiche: 1.Katalyse mit Einsatz von Nanomaterialien 2.Beeinflussung von Energieträgern an Grenzflächen 3.Verflechtung von Struktur und Funktionalität 4.Entwurf und Montage geeigneter Nanostrukturen 5.Theoretische Grundlagen einer Nano-Energie- Wissenschaft 6.Skalierbare Methoden zur Synthese von Nanomaterialien

  20. 5.Spannungsabfälle an Grenzflächen Prozesse mit Elektronen • An Grenzflächen entstehen elektrische Spannungsabfälle, z. B. an Grenzfläche Metall-Vakuum E Pot Energiezufuhr x + x - Metall Vakuum Ea -efb(x) - -Ea -Ea Leitungsband Oberkante z -(z+Ea) Leitungsband Unterkante Ea=Austrittsarbeit, z=Fermienergie Fb(x)= - 1/(4pe0)e/(2 x) fb (x)=e/(16pe0x) • Freisetzungsmechanismen für Elektronena) thermische Emission, Stöße b) Feldeffekt, auch bei T=0 Freisetzung möglich c) Strahlungsfeld (äußerer Photoeffekt)

  21. 5.Spannungsabfälle anGrenzflächen • Beispiel: Thermoelektrischer Generator Thermoelektrisches Material enthält freie Ladungsträger mit Ladung und kin. EnergieSeebeck- Effekt: Temperaturdifferenz erzeugt Gradient der Ladungsträger und damit Spannungsabfall: V= a (TH -TK)= aD T, a heißt Seebeck-Konstante Heiß TH - + n- Leiter p-Leiter e- H+ e- e- H+ H+ - + Kalt TK Serienschaltung von n- und p- Leiter erzeugt Spannungsabfall V, beachte Stromrichtung Heiss TH n- Leiter p-Leiter i+ i+ e- H+ e- e- H+ H+ V Kalt TK Kalt TK 2 z*T=a *s/k= Gütefaktor, hohes z*Tangestrebt, da dann hoher Wirkungsgrad

  22. 5.Spannungsabfälle an Grenzflächen 2 • Beispiel: Thermoelektrischer Generator In 50 Jahren konventioneller Forschung:z*T=as/k nur von 0.6 auf 1 gesteigert, h=14 %, nach [7] Gütefaktor z*T Gütefaktor z*T Temperatur (°C) Temperatur (°C) p-Leiter n-Leiter Gegensätzliche Forderungen an Material:großes a Material mit niedriger Trägerdichtegroßes s Material mit hoher TrägerdichteWeitere Forderungen an Material:Hohes Gap, nur reine p-oder n-Leiterniedrige Wärmeleitung k durch Elektronen und PhononenFortschritt konventioneller Technik:Reduktion der Wärmeleitung der Phononen durch hohes Atomgewicht, große Gitterkonstante,Fehlstellen, Einbau vonClustern, Segmentierung, ummax. Arbeitstemperatur und Material anzupassen

  23. 5.Spannungsabfälle an Grenzflächen • Beispiel:Thermoelektrischer GeneratorFortschritt durch Nanowissenschaft! nach [4]Ziel:Wirkungsgrad h=30 % des Carnot-WertesVerfahren:Nanostrukturierung des Halbleiters als „Quantenpunkt“ (siehe Folie 16-18): erhöht a und sNanostrukturierung des Halbleiters << freie Weglänge der Phononen: Reduktion von k ohne Reduktion von a und s : z*T großErgebnis:z*T>3 beobachtet, h= 30 % des Carnot-Wertes erzielt

  24. 5.Spannungsabfällen an Grenzflächen Strom 1 2 2 1 • Beispiel:Peltier-Effekt Umkehreffekt: Stromfluss erzeugt Temperaturdifferenz I II • Giant electrocaloric effect an Pb-Zr -Ti-OxidAbkühlung um 12 Grad bei 25 V (z. Z bei 230°C!) • Micropelt (Infineon)Anwendung: elektrische Energie aus Körperwärme für „intelligente Kleidung“ 3 mm 3 mm

  25. 5.Spannungsabfälle an Grenzflächen • Beispiel: PhotovoltaikGrundlagen • Nur Photonen mit Emin<h*n<Emax werden absorbiert und erzeugen Elektron-Loch-Paar, bei Si erfüllen nur 30% der Solarphotonen diese Bedingung Wirkungsgrad klein

  26. 5.Spannungsabfälle an Grenzflächen Beispiel:PhotovoltaikPrinzip.Aufbau einer Solarzelle • -durch Verwendung gestapelter unterschiedlich dotierter p- und n-leitender Halbleiter lässt sich Absorptionsverhalten verbessern (Stapel aus InGaN mit unterschiedlichem Verhältnis In zu Ga deckt Sonnenspektrum ab), nach [8]

  27. 5.Spannungsabfälle an Grenzflächen • Beispiel: PhotovoltaikFortschritte durch Nanotechnik,nach [5,9],siehe Folie 17-a) Aufbau der Solar- zelle als geordnete 3d- Anordnung von Quan- tenpunkten, die elek- tronisch gekoppelt sind-Reduzierung der schnellen Abkühlung der Elektronen bzw. Erhöhung der Elektronendichte durch Stoßionisation erhöht Photospannung bzw. –Strom-b) Kombination von Quanten- punkten (InP) mit nano- kristallinen Halbleitern(TiO2)-Solarphotonen regen Quan-tenpunkte an, die sehr effektiv Elektronen in Leitungsband des TiO2 injizieren-statt der Quantenpunkte werden in der Graetzel-Zelle auf TiO2 chemisorbierte Farbstoffe aufgebracht, die ebenfalls Elektronen injizieren -c) Kombination von Quanten-punkten mit organischen Halb-leiterpolymeren

  28. 5.Spannungsabfälle an Grenzflächen • Beispiel: PhotovoltaikZeitliche Entwicklungerzielter Wirkungsgrade von Photozellen im Vergleich, nach [4]

  29. 5.Spannungsabfälle an Grenzflächen Prozesse mit Ionen • Beispiel: Galvanische Elemente Ionen gehen vom Metall in die Lösung (Elektrolyt) + ---- Metall Lösung + + Ionen-Konzentration cM Ionen-Konzentration cL + UDS = -k T/e ln(cL/cM) UDS Doppelschicht i • Zwei unterschiedliche Metalle in zwei Elektrolyten Spannungsabfall UGE Metall 2 Metall 1 UGE=UDS1-UDS2 Trenn- Wand Elektrode 2 Elektrode 1 Elektrolyt2 Elektrolyt1

  30. 5.Spannungsabfälle an Grenzflächen • Konventionelle Batterien, siehe [2]Primärzelle: Elektrodenvorgänge nicht umkehrbarSekundärzelle (Akku): Elektrodenvorgänge umkehrbarKathode: oxydierbare Substanzen wie MetalleAnode: reduzierbare Substanzen wie Oxide, O2, Cl2Anforderung an Elektroden:Schwerlöslich : cL/cM und damit UGEkonstantUmweltfreundlich: Kein Hg, Pb ,Cd,…Beispiele:Zn-Braunstein- Batterie: Kathode :Zn,Elektrolyt:NH4Cl-Lösung,Anode:MnO2 (Braunstein) +KohleelektrodeBleiakkumulator: Kathode:Pb, Elektrolyt:H2SO4 (36%,imgeladenen Zustand) Anode: PbO2Lithiumionen-Batterie: Kathode: LiCx (Interkalations-verbindungen), Elektrolyt:z. B. Li-Salz gelöst in Ethylen-oder Propylencarbonat, Anode: MnO2, CoO2

  31. 5.Spannungsabfälle an Grenzflächen Prinzip: Elektrode 1: Domänen 10nm Elektrode 2: Poren 10-50 nm Elektrolyt: Dünnschichtlage (elektrolytisch) aus Polymer Poren: Füllung mit Kolloiden • Fortschritt durch Nanotechnik, nach [4]Ziel:Nanostrukturierte Materialien minimieren internen Leistungsverlust, erhöhen Zahl der Lade-Entlade-Zyklen, erhöhen Energiedichte (2500 Wh/kg erreicht, nach [10]) Innovationen: nach [9]a)Trennung Elektrolyt- Elektroden durch „Nanogras“Superhydrophobie reduziertZerstörung der ElektrodenZwischenräume füllen sich bei Stromflussb) 3d-nanoporöse ElektrodenElektrochemische Abscheidung von Cu bzw. Sn auf Cu erzeugt H2-BlasenEntstehung trichterförmiger PorenForm der Poren erleichtert Ionentransport, nach [10] Cu-Schaum Sn-Schaum

  32. 6. Katalytische Vorgänge an Grenzflächen • Zielsetzung:-UmwandlungeinesGemisch der Molekülsorten AB und C in Sorten A und BCReaktionsgleichung:AB +CA+BCAnwendung: Brennstoffzelle,H2 -Erzeugung Umwandlung erfolgt über aktivierten Komplex ABCÜbergang erfordert Überwindung der Aktivierungsenergie EAReaktionsratehängt von EA auf günstigstem Reaktions-weg und Aktivierung von ABC im Sattelpunkt abKatalysatorenbauen Aktivierungsschwelle ab und erhöhen damit ReaktionsratenRABBC = nAB*nC*<s*v>ABBC~ nAB*nC*gABC*KAB,C*T*exp(-DG/kT) Hinrate RBCAB = nBC*nA*<s*v>BCAB~ nBC*nA*gBC*KBC,A*T*exp(-DG‘/kT) RückratednAB/dt=RABBC-RBCAB BilanzgABC = statistisches GewichtK= sterische FaktorenDurch Nanostrukturierung Beeinflussung von g und K und damit der Bildungs-und Vernichtungsfrequenzen möglich

  33. 6. Katalytische Vorgänge an Grenzflächen • Beispiel: Wasserstoffproduktion mit Sonnenlicht(Heiliger Gral der Wasserstofftechnik)Grundlegendes Verfahren:-Absorption solarer Photonen erzeugt in Halbleiter Elektron-Loch-Paar-Verwendung finden Halbleiter-Oxide z.B. TiO2: Bandlücke 3eV, sammelt nur UV-Anteil kleines h- Katalytische Zersetzung des H2O an TiO2 liefert H2 und O2 ≈ Dagegen natürliche Photosynthese:-100 % der Solarphotonen absorbiert durch Chlorophyll - Transfer der Energie in Proteine, die H2O und CO2 in O2 und Kohlenwasserstoffe umwandeln Verbesserungs-Maßnahme I:-a)Dotierung der Halbleiter red. Lücke auf 1.7 eV, h=12% -b) Absorption an Quantenpunktführt zur Energiespeicherung und erzeugt mehr als ein Photo-Elektron durch Stoßionisation (inverser Auger-Effekt), siehe Folien 16-18, erhöht h-c)Farbstoffe sammeln Energie niederenergetischer Photonen und transferieren höherenergetische Elektro-nen, erhöht h

  34. 6. Katalytische Vorgänge an Grenzflächen • Beispiel:Wasserstoffproduktion mit SonnenlichtVerbesserungs-Maßnahme II ,nach [11]:-Selbstorganisation von Porphyrin ( + und – geladen) in wässriger Lösung erzeugt Nanoröhren-Bei Bestrahlung der Nanoröhren in einer Lösung mit Pt- bzw. Au- Ionen adsorbieren außen auf den Nanoröhren Pt- Nanoteilchen und im Innern sammeln sich Au-Atome-Au-Draht im Innern wird mit anorganischem Photokatalysator (WO3) verbunden-Am Pt entsteht H2, am WO3 räumlich getrennt O2, h=?Vorteil: Nutzung des gesamten Spektrums des Sonnenlichts, h>10% benchmark!-Porphyrine (Porphine) sind mit Chlorophyll verwandt

  35. 7. Nanoporöse Materialien   • Definitionnanoporöser Materialien:-Porenradius< 50 nm, gleichmäßige Porengröße-Porenvolumen/Totalvolumen 0.2-0.95-große spezifische Oberfläche 100 qm/Grammoffene Poren-aktive Oberflächenchemie , Anwendung: Katalyse, Speicherung,Veränderung des Reflektionsverhaltens-selektive Durchlässigkeit, Anwendung: Membran, Sensorik, Flüssigkeits- und Gasreinigung bzw.-trennung)geschlossene Poren-Materialien mit veränderter Wellenausbreitungund veränderten TransporteigenschaftenAnwendung: Beeinflussung der Lichtausbreitung, Schallausbreitung, Wärmeleitung • Praktische Realisierung -Poren indünnenSchichtenAl2O3-Membran - Poren indickenSchichtenAu- Ag –Legierung nach Entfernung des Ag

  36. 7. Nanoporöse Materialien • Natürliches Vorkommen nanoporöser Materialien-Biologische Systeme, Zeolithe (Aluminium-Silikat) • Anforderungen an adsorbierende, nanoporöse Materialien, siehe [12]-hohe Adsorptionsfähigkeit-hohe Selektivität-günstige Adsorptionskinetik, hohe Adsorptionsraten-hohe mechanische Festigkeit-hohe chemische Stabilität und Haltbarkeit • Herstellung nanoporöser, dünner Schichten -Selektives Entfernen von Stoffen aus Festkörper- oberfläche durch chemische Prozesse oder Erhitzen-Aufdampfen von Material auf der Innenseite der Poren mit in situ Kontrolle des Porendurchmessers -Kombination von Lithographie und Ätzverfahren -UV-Licht zerstört Molekülbindungen in SiO2 - Dünn- schichtfilm mit periodischer Struktur. Bildung von festem SiO2 mit poröser, periodischer Struktur • Herstellung nanoporöser, dicker Schichten-Aerogele produzieren gleichmäßige Poren von~5nm(geringe Festigkeit, hohe Sprödigkeit, Hydrophilie)-Langsame Kristallisierung eines Al2O3- Gemischs bei Anwesenheit alkalischer und organischer Stoffe -Chemische Aktivierung von C mit dehydrierenden Substanzen (ZnCl2) bei 1000K -Aktivierung von C mit SiO2-Nanoteilchen, gleichmäßige Poren von ~10 nm -Mischung Polymere-Keramik nach Erhitzen nanoporös durch Selbstorganisation

  37. 7. Nanoporöse Materialien 3 Anwendung :Wasserstoffspeicher für Automobile • Technische Vorgaben -Motorleistung PM=50 kW,-Tank: Volumen VT= 0.1 m -Masse MT= 100 kg-Reichweite 500 km in t=5 h • Abschätzung der benötigten Wasserstoffmenge-Benötigte Energie: W= PM*t= 250kWh=0.9 10 kJ-Bildungsenthalpie H2O(fl):HBild=0.286 10 kJ/kMol-1kMol H2 2 kg-Masse H2: MH=2*W/HBild=6.3 kg-Volumendichte H2 im Tank: rT= MH/VT=63kg/m-Gewicht H2/ Gewicht Speicher =MH/MT=0.065 • Eigenschaften Speicher-Massendichte : rM= MT/VT=1000 kg/m -Clustervolumen VC=4/3pR-Clusteroberfläche OC=4pR-Belegungsdichte H: CH=10 m-Zahl der Cluster NC, Gesamtvolumen VG=NC*VC-VT=x*VG, x1-MH/MT=0.065=CH*NC*OC*mH/(x*NC*VC*rM)=3*CH*mH/(rM*x*R)-R=3*CH*mH/(rM*x*0.065)=8 nmx=1 gesetzt 6 6 3 3 3 2 20 -2

  38. 7. Nanoporöse Materialien • Warum H2 oder einfache H2 Verbindungen?-hohe katalytische Reaktionsraten in Brennstoff zellen -Herstellung aus H2O und Kohlenwasserstoffen -Verbrennungsprodukt H2O, umweltfreundlich -hohe Energiedichte bei Speicherung • Benchmark (DOE) -6.5 Gew. % H2, 63 Kg/m, Beladungszeit<5 min • Konventionelle Lösungen -Kompression von H2 auf 700 bar (Problem:Versprödung) -Verflüssigung von H2 (5 kg für 500 km bei 21K) (Problem: Energieaufwand zur Abkühlung =1/3 der Gesamtenergie, Abdampfverluste 2% -3% pro Tag)-reversible Einlagerung in Metalle, Aktivkohle etc. (Problem: Abrufbarkeit, Speichermenge, erforderliche Temperatur, Kosten) ,nach [13] 3 C-Nano

  39. 7.Nanoporöse Materialien • Fortschritt durch Nanotechnik-verstärkte Oberflächenwechselwirkung, erhöhter Stofftransport, Phasenübergänge • Allgemeines Verhalten:-Speicher auf Basis Physisorption arbeiten nur effektiv bei Temperatur des flüssigen Stickstoffs-Speicher auf Basis Chemisorption gibt H2 erst bei hohen Temperaturen (500K) wieder ab • a)Fullerene und Nanoröhren (mit Alkalien dotiert)-bei ~300 bar nur 0.9 Gew. % zuverlässig erzielt(z. Z keine reproduzierbaren Ergebnisse für hohe Gew. % bei Raumtemperatur) • b)Oberflächenstrukturierung-Indiumoberfläche mit 10 nm hohen Pyramiden beschleunigt Reaktion 2NH3 3H2 + N2 • c)Speicherung inAlanaten, nach [13]: Anion [Al H4] ,[Al H6] , Kation Na -reines nanokristallines Na-Alanat:Schmelztemp.TS= 456K, 7.6 Gew.%, Abgabe bei 513K -kugelgemahlenes Nanomaterial: Abgabe bei T<TS -Neue Alanate: Mg[AlH4]2: 9.3 Gew.%, Dotierung mit Titanverbindung reduziert tads und tdesTitan erzeugt Chemisorptionsstellen Ti/Al-Defektstellen beeinflussen Kinetik - 3- +

  40. 7. Nanoporöse Materialien Desorptionsverhalten von Alanaten Struktur von Alanaten • Speicherung in metallorganischen Verbindungen (MOF), nach [14]-Metalloxid-Cluster-Verbund durch aromatische Ketten -Vorteil: Material besitzt sehr niedrige Dichte-Speicherung von Methan bei moderaten Bedingungen • Speicherung in Clatrathen, nach [14]-Treten in der Natur als Methan-Hydrat-Lager auf-Speicherfähigkeit: H2 (H2O) 10 Gew. % H2 (H2 )4 (CH4)33 Gew. % H2-Dotierung mit Ionen steigert Stabilität Al Mg H

  41. 8. Ausblick Was bleibt vordringlich zu tun in den Nanowissenschaften? • Verbesserung der Herstellungsverfahren-preiswerteHerstellung größerer Stoffmengen-reprod. Realisierung erwünschter Funktionalität-Ausweitung der selbst organisierten Montage-Anwendung biologischer Prozessabläufe • Neuartige diagnostische Verfahren zur Unter- suchung und Überwachung von Nanostrukturen, z.B.-zeitaufgelöste in situ Neutronenstreuung-Erhöhung der Intensität und Ausweitung des Spektralbereichs der Synchrotronstrahlung und der Free Electron Laser • Quantenmechanische ab initio Vielteilchenrechnungen zur Quantifizierung des Zusammenhangs zwischen Struktur und Funktionalität-Vorhersage katalytischer Effizienz von Nanostrukturen-Deutung des Elektronen-(Phononen)-Transports bei Übergang an Grenzflächen und Anwesenheit hoher elektrischer Felder-Verständnis des Zusammenhangs zwischen elektronischer Struktur und optischen Eigenschaften Carl Hilty„Achte auf das Kleine in der Welt, das macht das Leben reicher und zufriedener“

  42. 9. Literatur [1] Präsentationsmaterialien Reise in den Nanokosmos ,VDI Technologiezentrum,2004[2] Bergmann-Schäfer, Lehrbuch der Experimentalphysik, Band 5, Gase, Nanosysteme, Flüssigkeiten, 2.überarbeitete Auflage Walter de Gruyter, Berlin, 2006[3] www.pa.msu.edu[4] DOE-Report „Nanoscience Research for Energy Needs“, 2.ed.,June2005,siehe auch www.er.doe.gov/bes/reports/files/NREN_rpt.pdf [5] http://www.nrel.gov/ncpv_prm/pdfs/33586053.pdf[6]http://ctd.grc.nasa.gov/organization/branches/eodb/carbonnanotube.html[7]http://www.its.caltech.edu/~jsnyder/thermoelectrics/science_page.htm[8] http://www.lbl.gov/Science-Articles/Archive/MSD-perfect-solar-cell.html[9]http://www.delftoutlook.tudelft.nl/info/index21fd.html?hoofdstuk=Article&ArtID=2243[10] ] http://gtresearchnews.gatech.edu/newsrelease/nanoporous.htm [11] http://nanotech.wordpress.com/2005/03/18/tiny-porphyrin-tubes-may-lead-to-new-nanodevices/und http://web.mit.edu/newsoffice/2006/batt-side.html [12] Nanoporous Materials, Science and Engineering, G.Q.Lu,X.S.Zhao edts., Imperial College Press,2004[13] Nachrichten-Forschungszentrum Karlsruhe, Jahrg. 37 1-2/2005 S. 52 -58[14] Hydrogen Storage with Novel Nanomaterials,361. Wilhelm und Else Heraeus-Seminar, 23.-27.10.2005, Bad Honnef, Germany

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