Das Projekt "Research group (FOR) 525: Analysis and modeling of diffusion/dispersion-limited reactions in porous media" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Tübingen, Zentrum für Angewandte Geowissenschaften, Arbeitsgruppe Hydrogeochemie durchgeführt. Reaktionen in porösen Medien (beispielsweise der Abbau von Schadstoffen in Boden und Grundwasser) hängen entscheidend davon ab, wie gut sich Reaktionspartner durch Diffusion bzw. Dispersion mischen. Grundwasser z.B. strömt sehr langsam und laminar - daher findet keine rasche Mischung wie z.B. in Flüssen statt. Ziel der Forschergruppe ist es, diese Mischprozesse und die zugehörigen Reaktionen in räumlich und zeitlich hohen Auflösungen zu erfassen. Dazu werden neue Messmethoden (z.B. faseroptische Sensorsysteme) eingesetzt, die es erlauben, Konzentrationsgradienten in porösen Medien in bisher nicht erreichter Auflösung zu bestimmen. Diese Ergebnisse sind wichtig für das Verständnis des Verhaltens von Schadstoffen im Untergrund, z.B. für die Vorhersage der Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Grundwasserverunreinigung, darüber hinaus sind sie aber auch von grundlegender Bedeutung für die Entwicklung von Wasseraufbereitungsverfahren, wie Aktivkohlefiltration, katalytischer Schadstoffabbau, Biofilter, usw.
Die Untersuchungen decken alle relevanten Skalen wie z.B. von der Diffusion und Katalyse in Mikroporen, der Lösungskinetik von Teerölen in Sanden und dem biologischen Schadstoffabbau in heterogenen Grundwasserleitern ab. Ein zentrales Element in allen Teilprojekten ist die nummerische Simulation von Transport und Reaktion - diese nummerischen Modelle können dann zur Prognose des Schadstoffverhaltens in der Umwelt eingesetzt werden.
Das Projekt "Schwerpunktprogramm (SPP) 1708: Materialsynthese nahe Raumtemperatur" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Dresden, Fachrichtung Chemie und Lebensmittelchemie, Professur für Anorganische Chemie 2 durchgeführt. Die synthetische Materialchemie steht vor enormen Herausforderungen: Die Energiewende erfordert völlig neue Materialien mit herausragenden Eigenschaften - effektive Fotokatalysatoren für die solargetriebene Wasserstoffentwicklung, effiziente Energiespeichermaterialien, Materialien für Energiekonversion und vieles mehr. Auf der anderen Seite besteht die zwingende Notwendigkeit des ressourcenschonenden Einsatzes von Rohstoffen und Energie durch effizientere Herstellung bekannter und bereits verwendeter Materialien. Hier müssen nachhaltige chemische Prozesse erdacht und entwickelt werden, die bei niedrigerer Temperatur ablaufen, höhere Reinheit und Ausbeute ermöglichen und weniger Abfall produzieren.
Eine Erfolg versprechende Option hierfür ist die Nutzung von ionischen Flüssigkeiten (engl. Ionic Liquids, ILs) - organische Salze, die bereits unterhalb 100 Grad Celsius, oftmals sogar bei Raumtemperatur, als hoch polare Flüssigkeiten vorliegen. Die einzigartigen Eigenschaften dieser neuartigen 'Designer-Lösungsmittel' lassen sich durch vielfältige Variation ihrer chemischen Zusammensetzung an das jeweilige Synthesesystem adaptieren. Vielversprechende erste Forschungsergebnisse zeigen, dass unter Nutzung von ILs anorganische Materialien (Metalle, Legierungen, Halbleiter, Hartstoffe, Funktionswerkstoffe etc.) unter Umgebungsbedingungen hergestellt werden können. Dadurch lassen sich Energieeinsatz und technischer Aufwand im Vergleich zu den bisher notwendigen Hochtemperaturprozessen, wie Schmelzreaktionen, Solvothermalsynthesen oder Gasphasenabscheidungen, enorm reduzieren. Zugleich werden chemische Materialsynthesen besser steuerbar, was ebenfalls die Energie- und Rohstoffeffizienz erhöht.
Unabhängig davon eröffnen Synthesen in ILs die Möglichkeit, auch völlig neue Niedertemperaturverbindungen mit noch unbekannten chemischen und physikalischen Eigenschaften erstmalig zugänglich zu machen. Tatsächlich lassen sich in diesem frühen Stadium der Forschung noch längst nicht alle wissenschaftlichen, ökonomischen und ökologischen Implikationen abschätzen. Somit sind die Ziele des Schwerpunktprogramms:
(1) Etablierung IL-basierter ressourceneffizienter Synthesen für bekannte Funktionsmaterialien,
(2) Entdeckung neuartiger, auch unorthodoxer Funktionsmaterialien, die nur durch die Synthesen nahe Raumtemperatur in ILs zugänglich sind,
(3) Verständnis der Prinzipien von Auflösung, Reaktion und Abscheidung anorganischer Feststoffe in ILs.
Das Projekt "Entwicklung neuer redoxaktiver Polymere auf Basis von Benzimidazol, Benzoxazol und Benzothiazol - ein kombinierter theoretischer und experimenteller Screening-Ansatz" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Justus-Liebig-Universität Gießen, Physikalisch-Chemisches Institut durchgeführt. 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.
Das Projekt "Die Rolle von Huminstoffen in biogeochemischen Prozessen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität für Bodenkultur Wien, Institut für Bodenforschung durchgeführt. Schadstoffe bedeuten ernsthafte Gefahren für die Qualität der Luft, der Wasserversorgung und der Böden. Das Verständnis des Transportes, der Fixierung, Akkumulationg und Transfer von Schadstoffen in der Umwelt ist von höchster Bedeutung für die Beurteilung von Bodenverunreinigungen und für die Anwendung von Sanierungstechniken. Das Verhalten der Schadstoffe in Böden wird durch Adsorptionsprozesse bestimmt, welche den Transport dieser Substanzen, mikrobiellen Abbau und Aufnahme durch Pflanzen über die Wurzeln, und dadurch den Transfer der Schadstoffe in andere Segmente des Ökosystems und sogar der Nahrungsmittelkette, sehr stark beeinflussen. Organische Bodensubstanz ist die bedeutendste Quelle für aktiven Kohlenstoff auf der Erde, und Huminstoffe stellen davon den wichtigsten Anteil dar. Huminstoffe kommen in großer Verbreitung vor und sind in fast allen Boden- und Wassersystemen zu finden, wobei sie Bodenfunktionen und Wassereigenschaften stark beeinflussen. Es ist das Ziel dieses Projektes, umfassende Modelle für die Huminstoffe in der Form mikroskopischer Subszenarien (Oligomer- und Polymerstrukturen von z.B. Polyakrylsäure und Modifikationen, Struktureinheiten von Lignin und Zellulose) zu entwickeln, um mit Hilfe theoretischer und experimenteller Methoden die Wechselwirkungen spezifischer chemischer Gruppen oder Kombinationen von Gruppen, die die Aktivität des organischen Bodenmaterials darstellen, mit organischen Substanzen, hauptsächlich bestimmte Klassen von Pestiziden, zu untersuchen. Kationenbrücken und Kationenretention stellen eine der wichtigsten Forschungsfragen dieses Projektes dar. Die theoretischen Untersuchungen werden auf der Basis von Molekulardynamik- und Monte Carlo Rechnungen, welche auf Dichtefunktionaltheorie basiert, gefolgt von Kraftfelduntersuchungen, durchgeführt. Die experimentellen Sorptionsuntersuchungen, welche die Wechselwirkung der organischen Verbindungen mit ausgewählten Huminstoffmodellen beschreiben, werden mit den Resultaten der theoretischen Simulationen im Detail verglichen werden. Dieses Projekt sollte zu einer besseren Konzeptualisierung der Wechselwirkung organischer Verbindungen mit Huminstoffeinheiten in Bodensystemen und zu einem Klassifizierungsschema der verschiedenen Wechselwirkungen führen. Die angestrebten Resultate sollen nicht nur zu einem besseren prinzipiellen Verständnis von Bodenprozessen führen, sondern auch zu einer umfassenden Beschreibung spezifischer Problemstellungen und Bodenzustandsszenarien.