Abschlussarbeiten

Forschungsgebiete der AG Oschatz

Die Forschung in der AG Oschatz widmet sich der Synthese und Charakterisierung nanostrukturierter und poröser Materialien für Anwendungen in der heterogenen Elektrokatalyse und der Energiespeicherung. Es kommen vielfältige Synthesemethoden zum Einsatz, mit denen es möglich ist, Partikelgröße, Morphologie und Porosität von Materialien genau auf die Anforderungen der angestrebten Anwendung abzustimmen. Die Charakterisierung erfolgt mittels aktueller Methoden wie Gasadsorption, Röntgenpulverdiffraktometrie, sowie Elektronenmikroskopie, Raman- und Röntgenphotoelektronenspektroskopie, sodass Struktur-Wirkungsbeziehungen aufgedeckt werden können. Interessierten Studierenden bieten wir jederzeit die Möglichkeit, Abschlussarbeiten und Praktika bei uns zu absolvieren. Ziel der Themenvergabe in der Gruppe ist, dass mögliche Bachelor- oder Masterthemen Teilaspekte einer aktuellen Doktorarbeit der Gruppe darstellen, sodass die Betreuung von erfahrenen Mitgliedern der Gruppe erfolgt. Das genaue Thema finden wir nach einem Gespräch, in welchem eure Interessen sowie die aktuellen Fragestellungen der Gruppe diskutiert werden können.

Elektrochemische Energiespeicher
a) Lade-/Entladekurve einer typischen negativen Natrium-Ionenbatterieelektrode. Das Material ist unter anderem dann besonders geeignet, wenn besonders viel Ladung beim Spannungsplateau (grün) gespeichert wird. Dafür ist das Vorhandensein sogenannter „interner Poren“ entscheidend. b) Ionen innerhalb einer Nanopore im Kohlenstoff bilden besondere Doppelschichtstrukturen aus, welche zusätzlich durch die Anwesenheit gelöster Spezies beeinflusst werden.
a) Lade-/Entladekurve einer typischen negativen Natrium-Ionenbatterieelektrode. Das Material ist unter anderem dann besonders geeignet, wenn besonders viel Ladung beim Spannungsplateau (grün) gespeichert wird. Dafür ist das Vorhandensein sogenannter „interner Poren“ entscheidend. b) Ionen innerhalb einer Nanopore im Kohlenstoff bilden besondere Doppelschichtstrukturen aus, welche zusätzlich durch die Anwesenheit gelöster Spezies beeinflusst werden.
Foto: Konstantin Schutjajew

Elektrochemische Energiespeicher sind unabdingbar, gerade wenn es darum geht, Energie aus nicht permanent verfügbaren, erneuerbaren Quellen zuverlässig bereitzustellen.

Größere Speicherkapazitäten werden typischerweise durch Batterien abgedeckt, wobei die Natrium-Ionenbatterie als besonders nachhaltiger Nachfolger für die Lithium-Ionenbatterien gilt, da die benötigten Materialien nahezu uneingeschränkt global verfügbar sind. Unsere Forschung fokussiert sich darauf, die in der negativen Elektrode ablaufenden Speicherprozesse zu verstehen und darauf aufbauend Materialien zu synthetisieren, deren Energiedichte über die aktueller Materialien hinausgeht.

Andererseits bieten Superkondensatoren eine hervorragende Möglichkeit, in kurzer Zeit hohe Energiemengen zu speichern und wieder abzugeben. Hier spielt die Porenstruktur der Elektrodenmaterialien eine besonders wichtige Rolle: zum Einen muss ausreichend Oberfläche für die Adsorption möglichst vieler Ionen zur Verfügung stehen, zum anderen werden größere Diffusionskanäle für den schnellen Stofftransport benötigt. Wir erforschen den Einfluss der Form und Größe der Pore, aber auch ihrer Oberflächenchemie auf ihre Wechselwirkung mit den darin untergebrachten Ionen, um die Speicherkapazität der Materialien zu erhöhen.

Elektrokatalyse
a) Einige elektrochemische Reaktionen, welche sich an Elektrodenoberflächen abspielen können. b) und c) Stickstoffreiche Kohlenstoffnanopartikel, welche aus metallorganischen Gerüstverbindungen hergestellt und in der elektrochemischen Ammoniaksynthese eingesetzt werden können.
a) Einige elektrochemische Reaktionen, welche sich an Elektrodenoberflächen abspielen können. b) und c) Stickstoffreiche Kohlenstoffnanopartikel, welche aus metallorganischen Gerüstverbindungen hergestellt und in der elektrochemischen Ammoniaksynthese eingesetzt werden können.
Foto: Wuyong Zhang

„God made the bulk, surfaces were invented by the devil.“, lautet ein berühmter Spruch Wolfgang Paulis zu den Schwierigkeiten die sich bei der physikalischen Beschreibung der Eigenschaften von Festkörperoberflächen ergaben. Da eine Oberfläche typischerweise an ein externes Medium grenzt, ergeben sich daraus allerdings auch zahlreiche interessante Phänomene, welche wir uns bei der Elektrokatalyse zu Nutze machen wollen. Wird das betrachtete Material zudem auf die Nanoskala verkleinert und porös gemacht, so stehen dem geneigten Katalytiker zahlreiche Möglichkeiten zur Verfügung, um das Material auf die Gegebenheiten in seinem System zu optimieren. So sollen einfach anmutende, aber umso bedeutsamere Reaktionen wie die elektrochemische Ammoniaksynthese oder die CO2 Reduktion energieeffizient und selektiv durchgeführt werden.

Adsorption und Stofftrennung
Gasreinigung und -separation
Gasreinigung und -separation
Foto: AG Oschatz

Nanoporöse Materialien können riesige spezifische Oberflächen von mehreren Tausend Quadratmetern pro Gramm erreichen. Die Wechselwirkung dieser Oberflächen (des "Adsorbens") mit fluiden Phasen oder Bestandteilen von fluiden Phasen (dem "Adsorptiv") bezeichnen wir als "Adsorption". Die wissenschaftlichen Zielstellungen der Materialchemie im Hinblick auf solche Adsorptionsvorgänge sind vielfältig und reichen von der besonders schnellen Aufnahme des Adsorptivs, über eine Maximierung der volumetrischen oder gravimetrischen Speicherkapazität, bis hin zur möglichst präzisen Kontrolle über die Bindungsstärke an der Oberfläche. All diese Teilprozesse sind z.B. bei der Reinigung toxischer Abgase oder der Entfernung von Spurenstoffen von großer Bedeutung und können durch kontrollierte Materialsynthese gesteuert werden. So soll es z.B. in Zukunft möglich werden, Kohlenstoffdioxid aus der Luft zu filtern wie es die Pflanzen zu tun vermögen, oder Spuren von Schwermetallen oder Wirkstoffen in Gegenwart weiterer Substanzen selektiv aus Wasser zu entfernen. In Zukunft wird darüber hinaus auch die Adsorption extrem flüchtiger Gase wie von Wasserstoff oder von Edelgasen eine immer größere Rolle spielen.