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Anwendung der Nanowissenschaft in der Energietechnik 1. 50 Jahre Nanotechnologie 2. Methoden zur Untersuchung von Nano-Strukturen 3. Verfahren zur Herstellung.

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1 Anwendung der Nanowissenschaft in der Energietechnik Jahre Nanotechnologie 2. Methoden zur Untersuchung von Nano-Strukturen 3. Verfahren zur Herstellung und Eigenschaften von Nano-Strukturen 4. 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. Ausblick 9. Literatur J.Uhlenbusch Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf

2 1. 50 Jahre Nanotechnologie Richard Feynman ( ) 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? Cicero Alles kommt aus kleinen Dingen

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 b)Elektronische Verfahren Transmissions-Elektronenmikroskopie: oft Kontrasterhöhung durch Einlagerung von schweren Teilchen erforderlich Raster-Elektronenmikroskopie: oft Kontrasterhöhung durch Beschichtung der Objekte mit Metall erforderlich Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie Auger-Elektronen-Spektroskopie Elektronen-Beugungsverfahren c)Streuverfahren mit schweren Teilchen Ionen-Rückstreuung Rutherford Rückstreuung Neutronenstreuung 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 Kugelmühle Top-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 Nanomontage durch Jump-to-contact nach [2] Dip-Pen-Lithographie nach [2] Molekularstrahl-Epitaxie (MBE) erlaubt Herstellung dünner und dicker Schichten im nm-Bereich großflächiges Aufsprayen von Atomen möglich Laser-Ablationsverfahren (PLD) Weitere Bottom-Up-Strategien 3. Verfahren zur Herstellung und Eigenschaften von Nano-Strukturen

13 Herstellung und Nachweis von Fullerenen Erzeugung von Nanopulver in HF-Entladungen (Plasmaunterstützte) Gasphasen- Kondensation Signal am Massenspektrometer

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

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 Elektronen, Löcher, Elektron-Loch -Paare (sog. Exzitonen), Atome -Abmessung skaliert mit de`Broglie Wellenlänge der Elektronen - Energiezustände der Elektronen nahezu diskret, resultieren aus Abmessung und Form der Kristalle sowie Tiefe der Potentialtöpfe Vorteile 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 des Elektronentransports -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 Umwandlungsraten Physikalischer 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 Phononen unerwünscht, lässt sich durch Positionierung der Löcher auf 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 H 2 O in H 2 und O 2 mit Sonnenlicht 2.Katalytische Vorgänge zur Effizienzsteigerung energieaufwändiger chemischer Prozesse 3.Solarzellen mit 20% Effizienz bei Reduktion der Erstellungskosten um den Faktor Leichte Materialien hoher Festigkeit für Auto, Flugzeug,.. 6.Reversible Speicherung von H 2 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.Spannungsabf ä lle an Grenzflächen An Grenzflächen entstehen elektrische Spannungsabfälle, z. B. an Grenzfläche Metall-Vakuum Leitungsband Oberkante Leitungsband Unterkante Ea MetallVakuum -E a Ea=Austrittsarbeit, Fermienergie F b (x)= - 1/(4 0 )e/(2 x) b (x) e/(16 0 x) - x E a -( +E a ) - -e b (x) x E Pot Energiezufuhr Freisetzungsmechanismen für Elektronen a) thermische Emission, Stöße b) Feldeffekt, auch bei T=0 Freisetzung möglich c) Strahlungsfeld (äußerer Photoeffekt) Prozesse mit Elektronen

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22 5.Spannungsabfälle an Grenzflächen Beispiel: Thermoelektrischer Generator Thermoelektrisches Material enthält freie Ladungsträger mit Ladung und kin. Energie Seebeck- Effekt: Temperaturdifferenz erzeugt Gradient der Ladungsträger und damit Spannungsabfall: V= (TH -TK)= T, heißt Seebeck-Konstante Heiß T H Kalt T K n- Leiterp-Leiter e- H Serienschaltung von n- und p- Leiter erzeugt Spannungsabfall V, beachte Stromrichtung Heiss T H Kalt T K n- Leiterp-Leiter e- H+ V z T= = Gütefaktor, hohes z angestrebt, da dann hoher Wirkungsgrad Kalt T K 2 i+i+ i+i+

23 5.Spannungsabfälle an Grenzflächen Beispiel: Thermoelektrischer Generator In 50 Jahren konventioneller Forschung: z*T= nur von 0.6 auf 1 gesteigert, =14 %, nach [7] p-Leitern-Leiter Temperatur (°C) Gütefaktor z T Gegensätzliche Forderungen an Material: großes Material mit niedriger Trägerdichte großes Material mit hoher Trägerdichte Weitere Forderungen an Material: Hohes Gap, nur reine p-oder n-Leiter niedrige Wärmeleitung durch Elektronen und Phononen Fortschritt konventioneller Technik: Reduktion der Wärmeleitung der Phononen durch hohes Atomgewicht, große Gitterkonstante, Fehlstellen, Einbau von Clustern, Segmentierung, um max. Arbeitstemperatur und Material anzupassen 2

24 5.Spannungsabfälle an Grenzflächen Beispiel:Thermoelektrischer Generator Fortschritt durch Nanowissenschaft! nach [4] Ziel: Wirkungsgrad =30 % des Carnot-Wertes Verfahren: Nanostrukturierung des Halbleiters als Quantenpunkt (siehe Folie 16-18): erhöht und Nanostrukturierung des Halbleiters 3 beobachtet, 30 % des Carnot-Wertes erzielt

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

26 5.Spannungsabfälle an Grenzflächen Nur Photonen mit E min

27 5.Spannungsabfälle an Grenzflächen -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] Beispiel:Photovoltaik Prinzip. Aufbau einer Solarzelle

28 5.Spannungsabfälle an Grenzflächen Beispiel: Photovoltaik Fortschritte 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 (TiO 2 ) -Solarphotonen regen Quan- tenpunkte an, die sehr effektiv Elektronen in Leitungsband des TiO 2 injizieren -statt der Quantenpunkte werden in der Graetzel-Zelle auf TiO 2 chemisorbierte Farbstoffe aufgebracht, die ebenfalls Elektronen injizieren -c) Kombination von Quanten- punkten mit organischen Halb- leiterpolymeren

29 5.Spannungsabfälle an Grenzflächen Beispiel: Photovoltaik Zeitliche Entwicklung erzielter Wirkungsgrade von Photozellen im Vergleich, nach [4]

30 5.Spannungsabfälle an Grenzflächen Ionen gehen vom Metall in die Lösung (Elektrolyt) MetallLösung i Doppelschicht Ionen-Konzentration c M Ionen-Konzentration c L U DS U DS = -k T/e ln(c L /c M ) Zwei unterschiedliche Metalle in zwei Elektrolyten Spannungsabfall U GE Elektrolyt1 Metall 1Metall 2 U GE =U DS1 -U DS2 Beispiel: Galvanische Elemente Elektrode 1 Elektrode 2 Prozesse mit Ionen Elektrolyt2 Trenn- Wand

31 5.Spannungsabfälle an Grenzflächen Konventionelle Batterien, siehe [2] Primärzelle: Elektrodenvorgänge nicht umkehrbar Sekundärzelle (Akku): Elektrodenvorgänge umkehrbar Kathode: oxydierbare Substanzen wie Metalle Anode: reduzierbare Substanzen wie Oxide, O 2, Cl 2 Anforderung an Elektroden: Schwerlöslich : c L /c M und damit U GE konstant Umweltfreundlich: Kein Hg, Pb,Cd,… Beispiele: Zn-Braunstein- Batterie: Kathode :Zn, Elektrolyt: NH 4 Cl- Lösung, Anode: MnO 2 (Braunstein) +Kohleelektrode Bleiakkumulator: Kathode: Pb, Elektrolyt: H 2 SO 4 (36%, im geladenen Zustand) Anode: PbO 2 Lithiumionen-Batterie: Kathode: LiC x (Interkalations- verbindungen), Elektrolyt: z. B. Li-Salz gelöst in Ethylen- oder Propylencarbonat, Anode: MnO 2, CoO 2

32 5.Spannungsabfälle an Grenzflächen 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]) Prinzip: Elektrode 1: Domänen 10nm Elektrode 2: Poren nm Elektrolyt: Dünnschichtlage (elektrolytisch) aus Polymer Poren: Füllung mit Kolloiden Innovationen: nach [9] a)Trennung Elektrolyt- Elektroden durch Nanogras Superhydrophobie reduziert Zerstörung der Elektroden Zwischenräume füllen sich bei Stromfluss b) 3d-nanoporöse Elektroden Elektrochemische Abscheidung von Cu bzw. Sn auf Cu erzeugt H 2 -Blasen Entstehung trichterförmiger Poren Form der Poren erleichtert Ionentransport, nach [10] Cu- Schaum Sn- Schaum

33 6. Katalytische Vorgänge an Grenzflächen Zielsetzung: - Umwandlung eines Gemisch der Molekülsorten AB und C in Sorten A und BC Reaktionsgleichung: AB +C A+BC Anwendung: Brennstoffzelle,H 2 -Erzeugung Umwandlung erfolgt über aktivierten Komplex ABC Übergang erfordert Überwindung der Aktivierungsenergie E A Reaktionsrate hängt von E A auf günstigstem Reaktions- weg und Aktivierung von ABC im Sattelpunkt ab Katalysatoren bauen Aktivierungsschwelle ab und erhöhen damit Reaktionsraten R AB BC = n AB n C AB BC ~ n AB n C g ABC K AB,C T exp(- G/kT) Hinrate R BC AB = n BC *n A * BC AB ~ n BC *n A *g BC *K BC,A *T*exp(- G/kT) Rückrate dn AB /dt=R AB BC -R BC AB Bilanz g ABC = statistisches Gewicht K= sterische Faktoren Durch Nanostrukturierung Beeinflussung von g und K und damit der Bildungs-und Vernichtungsfrequenzen möglich

34 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. TiO 2 : Bandlücke 3eV, sammelt nur UV-Anteil kleines Katalytische Zersetzung des H 2 O an TiO 2 liefert H 2 und O 2 -b) Absorption an Quantenpunkt führt zur Energiespeicherung und erzeugt mehr als ein Photo-Elektron durch Stoßionisation (inverser Auger-Effekt), siehe Folien 16-18, erhöht c) Farbstoffe sammeln Energie niederenergetischer Photonen und transferieren höherenergetische Elektro- nen, erhöht Verbesserungs-Maßnahme I: -a)Dotierung der Halbleiter red. Lücke auf 1.7 eV, Dagegen natürliche Photosynthese: % der Solarphotonen absorbiert durch Chlorophyll - Transfer der Energie in Proteine, die H 2 O und CO 2 in O 2 und Kohlenwasserstoffe umwandeln

35 6. Katalytische Vorgänge an Grenzflächen Beispiel:Wasserstoffproduktion mit Sonnenlicht Verbesserungs- 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 (WO 3 ) verbunden -Am Pt entsteht H 2, am WO 3 räumlich getrennt O 2, Vorteil: Nutzung des gesamten Spektrums des Sonnenlichts, >10% benchmark! -Porphyrine (Porphine) sind mit Chlorophyll verwandt

36 7. Nanoporöse Materialien Definition nanoporöser Materialien: -Porenradius< 50 nm, gleichmäßige Porengröße -Porenvolumen/Totalvolumen große spezifische Oberfläche 100 qm/Gramm offene Poren -aktive Oberflächenchemie, Anwendung: Katalyse, Speicherung,Veränderung des Reflektionsverhaltens -selektive Durchlässigkeit, Anwendung: Membran, Sensorik, Flüssigkeits- und Gasreinigung bzw.- trennung) geschlossene Poren -Materialien mit veränderter Wellenausbreitung und veränderten Transporteigenschaften Anwendung: Beeinflussung der Lichtausbreitung, Schallausbreitung, Wärmeleitung Praktische Realisierung -Poren in dünnen Schichten Al 2 O 3 -Membran - Poren in dicken Schichten Au- Ag –Legierung nach Entfernung des Ag

37 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 SiO 2 - Dünn- schichtfilm mit periodischer Struktur. Bildung von festem SiO 2 mit poröser, periodischer Struktur Herstellung nanoporöser, dicker Schichten -Aerogele produzieren gleichmäßige Poren von~5nm (geringe Festigkeit, hohe Sprödigkeit, Hydrophilie) -Langsame Kristallisierung eines Al 2 O 3 - Gemischs bei Anwesenheit alkalischer und organischer Stoffe -Chemische Aktivierung von C mit dehydrierenden Substanzen (ZnCl 2 ) bei 1000K -Aktivierung von C mit SiO 2 -Nanoteilchen, gleichmäßige Poren von ~10 nm -Mischung Polymere-Keramik nach Erhitzen nanoporös durch Selbstorganisation

38 7. Nanoporöse Materialien Anwendung :Wasserstoffspeicher für Automobile Technische Vorgaben -Motorleistung P M =50 kW, -Tank: Volumen V T = 0.1 m -Masse M T = 100 kg -Reichweite 500 km in t=5 h Abschätzung der benötigten Wasserstoffmenge -Benötigte Energie: W= P M t= 250kWh= kJ -Bildungsenthalpie H 2 O(fl):H Bild = kJ/kMol -1kMol H 2 2 kg -Masse H 2 : M H =2 W/H Bild =6.3 kg -Volumendichte H 2 im Tank: = M H /V T =63kg/m - Gewicht H 2 / Gewicht Speicher =M H /M T =0.065 Eigenschaften Speicher -Massendichte : = M T /V T =1000 kg/m -Clustervolumen V C =4/3 R -Clusteroberfläche O C =4 R -Belegungsdichte H: C H =10 m -Zahl der Cluster N C, Gesamtvolumen V G =N C *V C -V T = V G, M H /M T =0.065= C H N C O C m H /( N C V C M) =3 C H m H /( M R) -R=3 C H m H /( M )= 8 nm gesetzt

39 7. Nanoporöse Materialien Konventionelle Lösungen -Kompression von H 2 auf 700 bar (Problem:Versprödung) -Verflüssigung von H 2 (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] Warum H 2 oder einfache H 2 Verbindungen? -hohe katalytische Reaktionsraten in Brennstoff zellen -Herstellung aus H 2 O und Kohlenwasserstoffen -Verbrennungsprodukt H 2 O, umweltfreundlich -hohe Energiedichte bei Speicherung Benchmark (DOE) -6.5 Gew. % H 2, 63 Kg/m, Beladungszeit<5 min 3 C-Nano

40 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 H 2 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 2NH 3 3H 2 + N 2 c) Speicherung in Alanaten, nach [13]: Anion [Al H 4 ],[Al H 6 ], Kation Na -reines nanokristallines Na-Alanat: Schmelztemp.T S = 456K, 7.6 Gew.%, Abgabe bei 513K -kugelgemahlenes Nanomaterial: Abgabe bei T

41 7. Nanoporöse Materialien 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 Desorptionsverhalten von Alanaten Struktur von Alanaten

42 8. Ausblick Carl Hilty Achte auf das Kleine in der Welt, das macht das Leben reicher und zufriedener Verbesserung der Herstellungsverfahren -preiswerte Herstellung 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 Was bleibt vordringlich zu tun in den Nanowissenschaften?

43 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] [4] DOE-Report Nanoscience Research for Energy Needs, 2.ed.,June2005,siehe auch [5] [6]http://ctd.grc.nasa.gov/organization/branches/eodb/carbonnanotube.html [7]http://www.its.caltech.edu/~jsnyder/thermoelectrics/science_page.h tm [8] cell.html [9]http://www.delftoutlook.tudelft.nl/info/index21fd.html?hoofdstuk=Arti cle&ArtID=2243 [10] ] [11] may-lead-to-new-nanodevices/ und [12] Nanoporous Materials, Science and Engineering, G.Q.Lu,X.S.Zhao edts., Imperial College Press,2004 [13] Nachrichten-Forschungszentrum Karlsruhe, Jahrg /2005 S [14] Hydrogen Storage with Novel Nanomaterials,361. Wilhelm und Else Heraeus-Seminar, , Bad Honnef, Germany tmhttp://www.lbl.gov/Science-Articles/Archive/MSD-perfect-solar- cell.htmlhttp://www.delftoutlook.tudelft.nl/info/index21fd.html?hoofdstuk=Arti cle&ArtID=2243http://gtresearchnews.gatech.edu/newsrelease/nanoporous.htmhttp://nanotech.wordpress.com/2005/03/18/tiny-porphyrin-tubes- may-lead-to-new-nanodevices/


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