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Teilvorhaben 2: Untersuchung des Elektronentransfers und Genexpressionsanalyse

Das Projekt "Teilvorhaben 2: Untersuchung des Elektronentransfers und Genexpressionsanalyse" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau, Lehrgebiet für Bioverfahrenstechnik durchgeführt. Ziel ist die stoffliche Nutzung elektrischer Energie zur mikrobiellen Produktion des Kunststoffmonomers Bernsteinsäure. Hierbei wird der innovative Ansatz der mikrobiellen Elektrosynthese verfolgt. Elektrische Energie wird in den Mikroorganismus Actinobacillus succinogenes transferiert, der zugleich nachwachsende Rohstoffe zur Synthese der Katalysatoren und des Produkts nutzt. Die zusätzlichen Redoxäquivalente (NADH) durch die Aufnahme von Elektronen bewirken eine Veränderung der Stoffwechselproduktzusammensetzung in Richtung zur Bernsteinsäure. Das Konzept erlaubt die Umwandlung elektrischer Energie in komplexe Produkte unter Einsatz des selbstreplizierenden Ganzzellkatalysators unter sehr milden Reaktionsbedingungen (T kleiner als 40 Grad C, pH 7, wässriges Lösungsmittel). Zusätzlich sind die Anforderungen an die Elektroden und die Reinheit der flüssigen Phase bei einer mikrobiellen Elektrosynthese gering und somit der Prozess kostengünstig. Die Technologie der mikrobiellen Elektrosynthese konnte durch die Antragssteller bereits für die Produktion von Butanol etabliert und mehrfach publiziert werden. Im angestrebten Projekt soll ein neues, wirtschaftlich relevantes Bioproduktionsverfahren etabliert und der technologische Reifegrad des Verfahrens erhöht werden. Der Transfer der Power2X-Technologie wird zunächst in kleinen Reaktionsgefäßen durchgeführt und im Anschluss auf einen technischen Bioreaktor überführt. Hierbei werden Betrachtungen zur Skalierbarkeit durchgeführt. Zielsetzung des TV 2 ist die Untersuchung des Elektronentransfers und die Genexpressionsanalyse. Dafür soll die Biofilmbildung auf der Elektrode und die mögliche Ausbildung von Nanodrähten analysiert werden, die einen direkten Elektronentransfer ermöglichen. Unterschiede zwischen nativen und synthetischen Biofilmen werden untersucht. Erhaltene Erkenntnisse werden auf den Produktionsprozess im Bioreaktor übertragen und der Einfluss des angelegten Potentials auf die Genexpression analysiert.

Elektrochemische Synthese von III-V (GaN, InN, GaSb, InSb, AlSb) und Metallsulfid (ZnS, GaS) Verbindungshalbleitern und deren Nanostrukturen aus ionischen Flüssigkeiten

Das Projekt "Elektrochemische Synthese von III-V (GaN, InN, GaSb, InSb, AlSb) und Metallsulfid (ZnS, GaS) Verbindungshalbleitern und deren Nanostrukturen aus ionischen Flüssigkeiten" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Clausthal, Institut für Elektrochemie durchgeführt. Das Projekt beabsichtigt die Entwicklung von III-V-Verbindungshalbleitern (GaN, InN, GaSb, InSb und AlSb) und Metallsulfid-Verbindungshalbleitern (ZnS- und GaS) Dünnfilmen und Nanostrukturen (Nanoröhrchen, Nanodrähte und makroporöse Strukturen) bei elektrochemischer Abscheidung/stromloser Abscheidung in verschiedenen ionischen Flüssigkeiten nahe Raumtemperatur. Der Hauptfokus wird auf das Verständnis des Reaktionsmechanismus der Bildung der Verbindungshalbleiter gesetzt. Die Reaktionsmechanismen werden anhand von IL-Salz-Mischungen, Elektrode/Elektrolyt-Grenzfläche und der hergestellten Strukturen und Schichten analysiert. Der Einfluss der IL-Zusammensetzung auf die Morphologie und die optischen Eigenschaften der erhaltenen Halbleiter wird untersucht. Zusätzlich werden die Halbleiternanostrukturen Templat-basiert und Templat-frei elektrochemisch hergestellt, was eine neue Methode zur Synthese von Halbleiternanostrukturen nahe Raumtemperatur eröffnet.

FHprofUnt 2015: Neue Konzepte für magnetische Energy Harvester

Das Projekt "FHprofUnt 2015: Neue Konzepte für magnetische Energy Harvester" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fachhochschule Aschaffenburg, Fakultät Ingenieurwissenschaften durchgeführt. Die Gewinnung kleinster Mengen elektrischer Energie aus per se vorhandenen Umweltquellen wie einem Temperaturgradienten, Sonnenlicht und Vibrationen ermöglicht es, Energie dort für ein elektronisches Gerät zu erzeugen, zu speichern und wieder abzugeben, wo sie benötigt wird. Der Begriff Energy Harvesting (Energiegewinnung aus Umgebungsgrößen) geht dabei noch über die oben genannte Definition hinaus und umfasst nicht nur das energieautarke System, sondern auch die drahtlose Übertragung von Daten. Auf der Suche nach neuen Möglichkeiten für das Energy Harvesting kommen neben den bekannten Wandler-Prinzipien, wie dem piezoelektrischen oder thermoelektrischen Ansatz, auch magnetische Konzepte infrage. So wird der magnetische Wiegand-Effekt seit langem für Magnetfeld-Sensoren genutzt. Im Projekt stehen magnetischen Nanomaterialien im Fokus der Entwicklung. Beispielsweise sollen magnetische Nanodrähte hinsichtlich großer Barkhausen-Sprünge technologisch realisiert und in Bezug auf eine große Energieausbeute optimiert werden. Des Weiteren sind Untersuchungen zum Einsatzpotential und Aufbau geeigneter Sensorsysteme Ziele des Projekts. Hierzu zählt die Drehzahlmessung von Antriebsachsen, Verschleißanzeiger im Güterverkehr und sporadische Grenzwertüberschreitungen im Gütertransport. Das interdisziplinäre Projekt wird mittels den Verbundpartnern aus den Bereich Schaltungstechnik und Mikrosystemtechnik sowie industriellen Partnern bearbeitet. So soll ein energieautarkes Sensorsystem auf Basis innovativer magnetischer Nanomaterialien entwickelt und energetisch optimiert werden. Pakete: - AP 1 Design des energieautarken Sensorsystems für die Logistik; - AP 2 Optimierung des magnetischen Wandler-Materials; - AP 3 Realisierung des energieautarken Sensorsystems; - AP 4 Verwertung der Forschungsergebnisse.

Teilprojekt: Universität Duisburg-Essen (WATERSPLIT)

Das Projekt "Teilprojekt: Universität Duisburg-Essen (WATERSPLIT)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Duisburg-Essen, Fakultät für Chemie, Lehrstuhl für Theoretische Chemie durchgeführt. Bei der Sonnenenergienutzung spielt die effiziente Wasserstoffproduktion mit Hilfe von Photokatalysatoren auf Halbleiterbasis eine wichtige Rolle. Im Rahmen ihrer Erforschung besteht das Ziel des vorliegenden Vorhabens in der Ausarbeitung eines zuverlässigen fundamentalen theoretischen Ansatzes zur Vorhersage der Bandstruktur dotierter oxidischer Photokatalysatoren sowie der lichtangeregten Elektronentransferprozesse mittels normaler und zeitabhängiger quantenchemischer Dichtefunktionaltheorie. Modellsysteme sind dabei TiO2 und SrTiO3-Nanoröhren und Nanodrähte. An der Universität Duisburg-Essen erfolgt dabei die Modellentwicklung und Workflowimplementierung zur Vorbereitung von extensiven Simulationsrechnungen. Dazu wird zunächst durch Testrechnungen ein geeignetes Modellsystem definiert (chemische Zusammensetzung, Balance von Größe und Genauigkeit der quantenchemischen Rechnungen). Mit diesem werden dann Rechnungen zu den Zustandsdichten von Nanoröhren durchgeführt und wird ein geeignetes Schema für Routinerechnungen zur Untersuchung anderer chemischer Systeme etabliert. Darauf aufbauend werden erste ab-initio-Simulationen von geeigneten dotierten Nanoröhren in Kontakt mit Wasser sowohl im Grundzustand als auch nach optischer Anregung durchgeführt und wird wiederum ein entsprechendes Schema etabliert, das anschließend weiterentwickelt wird. Das Ergebnis besteht in einer Perspektive für die Vorhersage der Bandstruktur von eindimensionalen Nanostrukturen zur Wasserspaltung.

Metall/Luft-Systeme, insbesondere Al- und Si-Luft Batterien: Elektrochemie der Anodenmaterialien

Das Projekt "Metall/Luft-Systeme, insbesondere Al- und Si-Luft Batterien: Elektrochemie der Anodenmaterialien" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technischen Universität Clausthal, Energie-Forschungszentrum Niedersachsen durchgeführt. In diesem Teilprojekt sollen für die Entwicklung von Silizium-/und Aluminium-Luft-Batterien, die bei praktisch unbegrenzter Verfügbarkeit der Elemente mit Energiedichten von bis zu 5 kWh/kg große Energiemengen günstig speichern könnten, grundlegende Untersuchungen an den Anodenmaterialien durchgeführt werden. Zu diesem Zweck werden Aluminium und Silizium elektrochemisch aus ion. Flüssigkeiten abgeschieden und im direkten Vergleich mit Zink als Anoden in Testzellen verwendet. Neben einer grundlegenden Charakterisierung der Oxidationsreaktionen sollen Primärzellen gebaut und getestet werden und danach Wege aufgezeigt werden, Sekundärzellen zu konstruieren. Für das Teilziel Silizium/Luft-Batterien werden Siliziumanoden mit ion. Flüssigkeiten elektrochemisch hergestellt; sowohl als unstrukturiertes Volumenmaterial als auch als makroporöse Elektroden und Nanodrahtelektroden. Das so hergestellte amorphe Silizium ist hochreaktiv gegenüber Sauerstoff, eine Grundvoraussetzung für Silizium/Luft-Batterien. In analoger Vorgehensweise werden Aluminiumanoden elektrochemisch hergestellt, wobei solches Al reaktiver ist als metallurgisches Al. Bei beiden Anodenmaterialien wird die Kinetik der Sauerstoffoxidation unter Modellbedingungen und in primären Testzellen untersucht, unterstützt durch Verfahren der Oberflächenchemie und -physik. Beim System Zink/Luft werden neue wässrige Elektrolyte basierend auf pH-neutralen ion. Flüssigkeiten im Hinblick auf die Reversibilität der Zellen optimiert.

Teilvorhaben: Ultra Low Power Elektronik mit Tunnel-Feldeffekttransistoren

Das Projekt "Teilvorhaben: Ultra Low Power Elektronik mit Tunnel-Feldeffekttransistoren" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Forschungszentrum Jülich GmbH, Peter Grünberg Institut, PGI-9: Halbleiter-Nanoelektronik durchgeführt. 1. Vorhabenziel Vorrangiges Ziel des Teilvorhabens ist, Band zu Band Tunnel-Feldeffekttransistoren (TFET), neue energieeffiziente Schalter der 'More than Moore' Kategorie, zu erforschen und deren Leistungsfähigkeit für ultra low power Anwendungen zu eruieren. Hierfür werden in Zusammenarbeit mit den Partnern RWTH Aachen und TU München einfache logische Schaltungen realisiert und TFETs in eine Sensoranwendung integriert. Es wird erwartet, dass die TFETs auch noch bei Betriebsspannungen um 0.25 V arbeiten, was für batteriebetriebene und energie-autonome Geräte ein enormer Vorteil wäre. 2. Arbeitsplanung FZJ wird sich auf die Herstellung der neuen Materialien (SiGe, GeSn usw.) und die Prozessierung und Charakterisierung der TFET konzentrieren, wobei wegen der Neuheit verschiedene Bauelementearchitekturen (planar, vertikal und Nanodraht) entwickelt und für Anwendungen optimiert werden. Die Integration von neuen Halbleitern mit viel kleinerer Bandlücke als Silizium ist notwendig, um ausreichend hohe Ausgangsströme zu erreichen. Die FuE-Arbeiten werden mit Simulationsrechnungen unterstützt. In Zusammenarbeit mit der RWTH Aachen wird ein planarer TFET für einen Drucksensor entwickelt und integriert. Die logischen Schaltungen werden in Kooperation mit TU München entwickelt.

Solution Processed High Performance Transparent Organic Photovoltaic Cells (SOLPROCEL)

Das Projekt "Solution Processed High Performance Transparent Organic Photovoltaic Cells (SOLPROCEL)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fundacio Institut de Ciencies Fotoniques durchgeführt. The triggering of SOLPROCEL took place when COMSA EMTE and ICFO realized the potential that an organic photovoltaic (OPV) based technology has to be incorporated in transparent modules to generate electricity. Indeed, the OPV technology is the only one capable of producing semitransparent colorless cells providing a clear and undistorted image when looking through the device. It can be perfectly integrated in buildings faAParagraphades offering an enormous potential for electricity production units to penetrate in urban areas. However, COMSA EMTE is well aware that transparent OPV cells are not yet ready for a module production phase and priority must be given to material research. Several issues, spanning from the development of low cost module fabrication to having stable and durable devices, must be addressed. Much of the success rests on having the materials for such low cost module fabrication. To achieve an optimal light harvesting in a solution-processed semitransparent OPV cell, we propose to combine the device processing developed by FAU with the photonic control developed by ICFO. Encouraged by COMSA EMTE and FAU, ICFO took the lead of SOLPROCEL. The project incorporates 3 companies which will be able to industrially produce the PV and nano materials needed in solution-processed OPV cells: Specific Polymers the PV polymers, Nanograde the nanoparticles used in the buffer layers, and RAS the Ag nanowires used in the electrodes. In SOLPROCEL such companies will be guided by three research institutions which can provide complementary knowhow in three of the fundamental aspects of OPV technology: nano-fabrication (FAU), light management (ICFO), and organic synthesis (FhG-IAP). The quantifiable goal of SOLPROCEL is to obtain the materials needed for fully solution-processed high performance transparent OPV cells and to raise the efficiency of such cells from 5.6Prozent to 9Prozent. This later value corresponding to 80Prozent of the 12Prozent efficiency of the corresponding opaque cell.

Elektrochemische und microstrukturelle Untersuchung der Prozesse in Anoden für Hochkapazitäts-Lithium-Ionen-Batterien basierend auf Si-Mikrodrahtanordnungen

Das Projekt "Elektrochemische und microstrukturelle Untersuchung der Prozesse in Anoden für Hochkapazitäts-Lithium-Ionen-Batterien basierend auf Si-Mikrodrahtanordnungen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität zu Kiel, Institut für Materialwissenschaft, Arbeitsgruppe Funktionale Nanomaterialien durchgeführt. Ziel des Projektes ist es, Silizium Draht Anoden (SDA) für Li-Ionenakkumulatoren durch ein besseres Verständnis der grundlegenden Prozesses während der Lithiierung/Delithiierung zuverlässiger und leistungsfähiger zu machen. Silizium ist das derzeit beste Material für Anoden, mit einer gegenüber Standardgraphit über zehnmal höheren Energiedichte, muss aber nano- oder mikrostrukturiert werden um mechanische Spannungen beim Betrieb zu minimieren. Die SDA der Antragsteller sind bereits sehr weit entwickelt und zeigen vielversprechende Eigenschaften für sicherere Batterien mit höchsten Kapazitäten. Für weitere Optimierungen werden aber die Resultate der geplanten Arbeiten benötigt. Das Projekt hat zwei Hauptteile: 1. Optimierung der Herstellung und in-situ elektrochemische Charakterisierung von SDA. 2. Mikrostrukturelle Charakterisierung der SDAs in verschiedenen Beladungszuständen. Im ersten Teil wird in-situ charakterisiert, dabei wird neben Standardmethoden insbesondere eine nur beim Antragsteller verfügbare FFT Impedanzspektroskopie eingesetzt. Der zweite Teil stützt sich auf elektronenmikroskopische Techniken mit spezieller Probenpräparation und einer in dieser Form einmaligen Strategie für den Transfer von luftempfindlichen Proben. Erwartet werden wissensbasierte Antworten auf derzeit offene Fragen wie: Was bestimmt die optimale Drahtgeometrie (Länge, Durchmesser, Abstand)? Wie und wo wird Lithium ein- und ausgebaut? Welchen Einfluss besitzt der ohmische Widerstand der Drähte in der Lithierungsprozess? Was ist die atomare Struktur der Phasengrenzen? Existieren Konzentrationsgradiente in den Drähten, insbesondere am Anschluss zur Cu-Ableitelektrode? Welche mikrostrukturelle Degradationsmechanismen auftreten bei der Zyklierung (Drahtbruch, lokale Kurzschlüsse, Rolle der SEI Schicht)? Wie groß sind die Zeitkonstanten der Reaktionen? Wie verhalten sich die SDA unter extremen Umständen (Kurzschluss, Sauerstoffeinbruch)? Der Parameterraum bei der Herstellung, Konditionierung und Zyklierung der SDA ist viel zu groß um experimentell hinreichend ausgeleuchtet werden zu können. Die vorgeschlagenen Untersuchungen sind deshalb für weitere Fortschritte unabdingbar.

SGP 1 Grad N Programm: In Richtung Hybridgeräte für Energieumwandlung

Das Projekt "SGP 1 Grad N Programm: In Richtung Hybridgeräte für Energieumwandlung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Forschungszentrum Jülich GmbH, Peter Grünberg Institut, PGI-9: Halbleiter-Nanoelektronik durchgeführt. Das Ziel des Projektes ist es, den Schlüssel zu einer guten Leistung von Bulk-Heteroübergang GaAs/Thiophen Hybrid-Solarzellen, basierend auf geordnete Anordnung von GaAs Nanodrähten, zu verstehen. Die spezifische Ziele davon sind: 1. Herstellen von funktionierten Hybrid-Solarzellen. 2. Verstehen der Wirkung von Grenzflächenchemie auf den photovoltaischen Eigenschaften. 3. Einschätzen der optimalen Werkstoffkombination für die Solarzelle. 4. Bewertung möglichen Gewinns aus der geordneten Struktur aus GaAs Rückgrat der Solarzelle. Die Verwendung von hochgeordneten Materialien ist wesentlich für das Verständnis von der Leistung der Hybridsolarzellen. Aber wir wollen evaluieren, ob es auch für die praktischen Systeme Vorteile bringen kann. Diese Arbeit wird von Forschungszentrum Jülich (FZJ) und Technische Universität Nanyang (NTU) durchgeführt. NTU wird für die Oberflächenchemie, die Nanostrukturierung und die Evaluierung von Geräten zuständig sein. FZJ wird verantwortlich für das Wachstum von GaAs Nanodrähten und auch für die Evaluierung der Devicephysik sein. Besuchen zwischen FZJ und NTU wird den reibungslosen Ablauf des Projektes unterstützen. Am Anfang des Projektes wird die erste Sitzung über die detaillierte Planung stattfinden. Nach der Sitzung besuchen sich alternative FZJ und NTU alle 3 Monate für 1 bis 4 Woche. Am Ende des Projektes werden in einem Treffen die Arbeiten zusammengefasst, und die zukünftige Orientierungen bestimmt.

SGP 1 Grad N Programm: Nanostrukturierte Elektroden für solare Brennstoffzellen: Besondere Methoden für die Bandgapanpassung

Das Projekt "SGP 1 Grad N Programm: Nanostrukturierte Elektroden für solare Brennstoffzellen: Besondere Methoden für die Bandgapanpassung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Freiburg, Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK), Lehrstuhl für Nanotechnologie durchgeführt. Entwicklung der Anwendungsparameter für die 'ALD + SSR' Technik, um nanostrukturierte Photoelektroden mittels ALD zu modifizieren. Es soll die Materialstabilität und damit die Effizienz der Brennstoffzelle erhöht werden. Es soll ein tieferes Verständnis der Dynamik des Ladungsmechanismus entwickelt werden. Wir arbeiten in dem Projekt an neuen Technologien für Energieanwendungen basierend auf solare Wasserspaltung für die Wasserstoffgewinnung. Ein Durchbruch in Wasserstoff-produzierenden Prozessen erfordert eine Robustheit der Elektroden des photokatalytischen Materials. Es werden in dem Projekt kombinierte Experimente durchgeführt, wobei die Untersuchung der nanostrukturierten Elektroden an der NTU und die Modifizierung der Elektroden mittels Atomlagendeposition am IMTEK erfolgt. Am NTU erfolgt die Herstellung des Elektrodenmaterials in Form von Nanodrähte. Diese werden an der NTU in Brennstoffzellen charakterisiert. Diskussion der Ergebnisse mit der IMTEK Gruppe. Strukturelle Charakterisierung und Device Herstellung mittels SEM und Laser-Litho. Es erfolgt eine gemeinsame optische Untersuchung der modifizierten Elektroden für Photoladungsdynamik und Bandstruktur.

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