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First-principles kinetic modeling for solar hydrogen production

The development of sustainable and efficient energy conversion processes at interfaces is at the center of the rapidly growing field of basic energy science. How successful this challenge can be addressed will ultimately depend on the acquired degree of molecular-level understanding. In this respect, the severe knowledge gap in electro- or photocatalytic conversions compared to corresponding thermal processes in heterogeneous catalysis is staggering. This discrepancy is most blatant in the present status of predictive-quality, viz. first-principles based modelling in the two fields, which largely owes to multifactorial methodological issues connected with the treatment of the electrochemical environment and the description of the surface redox chemistry driven by the photo-excited charges or external potentials.Successfully tackling these complexities will advance modelling methodology in (photo)electrocatalysis to a similar level as already established in heterogeneous catalysis, with an impact that likely even supersedes the one seen there in the last decade. A corresponding method development is the core objective of the present proposal, with particular emphasis on numerically efficient approaches that will ultimately allow to reach comprehensive microkinetic formulations. Synergistically combining the methodological expertise of the two participating groups we specifically aim to implement and advance implicit and mixed implicit/explicit solvation models, as well as QM/MM approaches to describe energy-related processes at solid-liquid interfaces. With the clear objective to develop general-purpose methodology we will illustrate their use with applications to hydrogen generation through water splitting. Disentangling the electro- resp. photocatalytic effect with respect to the corresponding dark reaction, this concerns both the hydrogen evolution reaction at metal electrodes like Pt and direct water splitting at oxide photocatalysts like TiO2. Through this we expect to arrive at a detailed mechanistic understanding that will culminate in the formulation of comprehensive microkinetic models of the light- or potential-driven redox process. Evaluating these models with kinetic Monte Carlo simulations will unambiguously identify the rate-determining and overpotential-creating steps and therewith provide the basis for a rational optimization of the overall process. As such our study will provide a key example of how systematic method development in computational approaches to basic energy sciences leads to breakthrough progress and serves both fundamental understanding and cutting-edge application.

Neue ionenselektive Elektroden

Im Projekt werden neuartige ionenselektive Elektroden auf der Basis von Kompositmaterialien entwickelt. Erstes Ergebnis ist ein pH-Sensor, der ohne vorherige Kalibrierung eingesetzt werden kann und sich durch grosse mechanische Stabilitaet auszeichnet.

Abgasreinigung in der elektrischen Entladung

In Elektrodenanordnungen mit zwischengeschaltetem Dielektrikum koennen bei Anlegen einer hinreichend hohen Wechselspannung Entladungsvorgaenge eingeleitet werden, die zur Zersetzung des Gases fuehren (auf diese Art und Weise ist beispielsweise auch Ozon fuer die Trink- und Abwasseraufbereitung erzeugbar). Es ist naheliegend zu untersuchen, ob bei einer solchen Art von 'Stiller Elektrischer Entladung' auch Schadgase zersetzt werden koennen. Die Untersuchungen wurden mit NOx und SO2 durchgefuehrt.

Nachhaltige, flexible additive Fertigungstechnologie für Natrium-Ionen-Festkörperbatterien

Einsatz der anodischen Oxidation bei der Lebensmittelverarbeitung und in der Brauerei

An der Qualitaet des zur Herstellung und zur Verarbeitung von Lebensmitteln und Getraenken verwendeten Wassers muessen aus chemischer und mikrobiologischer Sicht hoechste Anforderungen gestellt werden. Die strengen Vorschriften der TVO und und der neuen EWG-Richtlinien genuegen oft nicht, um eine Kontamination durch pathogene Keime und Viren im Wasser beim Herstellungsprozess zu verhindern, wobei eine Schaedigung des Produktes oder eine gesundheitliche Beeintraechtigung des Konsumenten moeglich wird. Die anodische Oxidation spezifiziert in Stabgitterbuendelelektroden konnte als neues Wasserdesinfektionsverfahren aufgrund seiner in vielen Untersuchungen gestuetzten entkeimenden, viruseliminierenden und desodorierenden Wirkung durch Elektrodenentzug in diesen Bereichen eingesetzt werden, bzw. wurde in mehreren Faellen fuer Wasserdesinfektionsanlagen projektiert.

Elektrokatalytische Reduktion von Kohlendioxid zu organischen Verbindungen

Die Reduktion von Kohlendioxid ist von Interesse sowohl fuer die Nutzung des CO2-Pools zur Synthese von industriell interessanten Verbindungen als auch im Hinblick auf die umwelttechnischen Probleme des zunehmenden Kohlendioxidgehaltes in der Erdatmosphaere. Das vorliegende Projekt befasst sich speziell mit der Praeparation und Charakterisierung neuartiger amorpher Festkoerperkatalysatorelektroden mit Porenstruktur sowie deren Nutzung zur Synthese von organischen Zwischenprodukten.

Umweltschonende Herstellung von wiederaufladbaren langlebigen Lithium-Polymer-Batterien mit Festkörper-Elektrolyten und extrudierten Elektroden

Die Microbatterie GmbH, Ellwangen, eine 100 Prozentige Tochter der VARTA AG, errichtet eine Anlage zur großtechnischen Produktion von Lithium-Polymer-Batterien, die insbesondere bei miniaturisierten, transportablen Anwendungen wie z.B. Handies und Notebooks eingesetzt werden sollen. Das Produkt und die Fertigungstechnik sind vollständige Neuentwicklungen. Die Microbatterie GmbH will gesundheitsschädliches Kobalt in der Produktion und im Produkt durch umweltverträgliche Lithium-Mangan-Oxide substituieren. Ferner soll der bisher verwendete Flüssigelektrolyt in einem ersten Schritt zum Teil durch einen umweltverträglicheren ionenleitenden Festkörperelektrolyten und in einem zweiten Schritt durch eine Kombination zweier Festelektrolyte ersetzt werden. Die Polymertechnologie mit der aluminisierten Tütenverpackung macht das Produkt recyclingfreundlich und sicher (keine Auslaufgefahr). Daneben zeichnen sich Lithium-Polymer-Batterien aufgrund ihrer Wiederaufladbarkeit (bis zu 1.000 mal bei den Hauptanwendungsgebieten) durch eine hohe Lebensdauer aus. Aus umweltpolitischer Sicht ist auch die umweltfreundliche Produktionstechnik hervorzuheben. Durch die Einführung eines innovativen Extrusionsverfahrens kann auf die bisher bei der Elektrodenherstellung und der Extraktion eingesetzten Lösemittel, Weichmacher und PTFE-Folien vollständig verzichtet werden. Bei der Extrusion werden die reinen Rezepturen vermischt und direkt als Folie mit einem Extruder hergestellt. Dieses Verfahren arbeitet abluft- und abwasserfrei. Die bei herkömmlichen Verfahren entstehenden Abfälle (Lösemittel, Weichmacher und Folie) können vollständig vermieden werden. Es fallen lediglich Elektrodenstanzabfälle aus Kupfer und Aluminium (5 Prozent der Einsatzmenge) und Gehäuseabfälle aus Aluminium (25 Prozent der Einsatzmenge) an, die stofflich verwertet werden können.

Photoelektrochemische Untersuchungen an amorphen Halbleitern

Verwendet man halbleitende Materialien als Elektroden in elektrochemischen Zellen, so beobachtet man, dass bei Belichtung - also auch bei Sonneneinstrahlung - Photostroeme auftreten. Die so in Elektroenergie umgewandelte Strahlungsenergie kann direkt oder zur Wasserzersetzung, das heisst zur Wasserstofferzeugung, verwendet werden. Der geschilderte Funktionsablauf ist experimentell in den verschiedenen Stufen wenig untersucht. Zunaechst sollen moeglichst billige Halbleitermaterialien als Elektroden praepariert in elektrochemischen Solarzellen eingesetzt werden. Mit amorphen Halbleitern sollten kostenguenstige Anlagen erstellbar sein. Das Elektrodenmaterial selbst darf bei den auftretenden Photopotentialen nicht zersetzt werden.

H2Organic - Innovative Materialien für die Elektrokatalytische Hydrierung von Organischen Substraten

Experimentelle Untersuchung der Energiewandlung und des Pumpens in Gasströmungen mittels an nanostrukturierten Elektroden erzeugten Koronaentladungen

Der Energiewandlungsprozess in einem elektrohydrodynamischen Generator mit einer nanostrukturierten Elektrode soll experimentell untersucht werden. Dazu werden freie Ladungen über eine Koronaentladung in eine Gasströmung eingebracht und durch die Reibung mit den umgebenden Gasmolekülen zu einer Gegenelektrode transportiert. Auf diese Weise wird mechanische in elektrische Energie gewandelt. Aus Vorarbeiten existieren Hinweise, dass mit Hilfe von nanostrukturierten Elektroden der Energiewandlungsprozess deutlich effizienter gestaltet werden kann als mit herkömmlichen Elektroden. Es soll eine Energiestrombilanz aufgestellt werden, welche die Grundlage für die daran anschließende Maximierung der Energiewandlungseffizienz bildet. Später soll der Generator in einen Capillary Pumped Loop integriert werden, der es ermöglichen soll, thermische in elektrische Energie zu wandeln. Im Kontext miniaturisierter Energiewandlersysteme soll auch das Potential von Koronaentladungen zur Förderung von Luft für Verbrennungsprozesse untersucht werden.

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