Forschungsprojekte

Prof. Dr. Andrea Balducci, Prof. Dr. Ulrich S. Schubert
Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2022 bis 2026

Im Rahmen von Projekt 1 soll das Konzept der Selbstheilung von Polymeren auf funktionale Materialien übertragen werden. Konkret sollen hierbei neuartige Elektroden für die Anwendung in organischen Radikalbatterien oder (Super-)kondensatoren entwickelt werden, welche sich durch die Fähigkeit zur Selbstheilung auszeichnen.

Hierfür werden selbstheilende Polymere mit verschiedenen reversiblen Gruppen in die Elektrodenmaterialien integriert, um so schließlich die Heilung von Rissen und Beschädigungen zu ermöglichen. Dabei wird neben der Synthese die Charakterisierung der Materialien ein Schwerpunkt sein. Insbesondere wird dabei der Fokus auf der Untersuchung der selbstheilenden Eigenschaften liegen. Schließlich sollen durch das Projekt neue selbstheilende Elektroden für Anwendungen in organischen Radikalbatterien und (Super-)kondensatoren entworfen und Struktur-Eigenschaftsbeziehung für selbstheilende funktionale Materialien ermittelt werden.

Prof. Dr. Felix H. Schacher
Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2022 bis 2026

Ziel von Projekt 2 ist es, nanostrukturierte Blockcopolymer-Gele für die Verwendung als Elektrolyte in polymerbasierten Batterien und elektrischen Doppelschichtkondensatoren zu entwickeln.

Diese Materialien verfügen über selbstheilende Eigenschaften, wobei die gebildete Nanostruktur zusätzlich die Wiederherstellung der funktionellen Eigenschaften nach mechanischer Beschädigung ermöglicht. Zu diesem Zweck werden amphiphile ABC-Triblockterpolymere auf Basis von Polyethern mit einem (kovalent) vernetzbaren Block A (Furfurylgruppen für Diels-Alder-Reaktionen oder Alkine für die Kupferkatalysierte Azid-Alkin-Chemie), einem Block B, der sowohl in organischen als auch in wässrigen Elektrolyten löslich ist und die Ionenbeweglichkeit ermöglichen soll (z.B. Poly(methylglycidylether)), und einem Block C, der auf geladenen Monomeren basiert, hergestellt. Im letzteren Fall können reversible (nicht kovalente) Vernetzungen durch Kombinationen von Carboxyl- und Aminogruppen oder alternativ zwitterionischen Comonomeren realisiert werden.

Die Charakterisierung wird in diesem Projekt eine wichtige Rolle spielen, angefangen von der umfassenden Analyse der ABC-Triblockterpolymere bis hin zur Herstellung der entsprechenden Gele, einschließlich der Untersuchung der Vernetzungseffizienz und der Prüfung der Stabilität sowie morphologischer Studien. Darüber hinaus soll die Funktionalität, d.h. die Ionenleitfähigkeit, der Gele im Hinblick auf die Diffusion von Ionen genau verstanden werden, um den Selbstheilungsprozess zu bewerten. Schließlich sollen die Gelelektrolyte als neue Elektrolytmaterialien in Testbatterien für grundsätzliche Machbarkeitsstudien eingesetzt werden.

Prof. Dr. Kalina Peneva, Dr. Martin D. Hager
Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2022 bis 2026

Organische Solarzellen wurden in den letzten Jahren intensiv untersucht und die erreichbaren Effizienzen konnten deutlich gesteigert werden. Allerdings ist oftmals noch die Langzeitstabilität von diesen Systemen eine Herausforderung. Neben der Photooxidation der Aktivmaterialien, z. B. der konjugierten Polymere, spielen insbesondere für flexible Solarzellen auch Risse im Aktivmaterial oder Delamination der Aktivschicht von den Elektroden eine große Rolle. In diesem Zusammenhang untersucht P3 neue Konzepte zur Selbstheilung von photoaktiven Materialien, welche für organische Solarzellen geeignet sind.

Hierbei werden zwei Schadensszenarien erforscht werden: i) Mechanischer Schaden in der Aktivschicht (Donor-Akzeptor-Blend) und ii) Schäden durch Photooxidation. Durch das Design und die Synthese von maßgeschneiderten Donor- und Akzeptormaterialien (vom kleinen Molekül bis zum Polymer) soll durch die Einführung von flexiblen Gruppen bzw. von reversiblen Gruppen zum einen eine Mobilität des Materials erreicht werden (Heilung von Rissen), zum anderen soll durch die Einführung von reversiblen Gruppen der Austausch von Chromophoren ermöglicht werden (Heilung nach Photooxidation).

PD Dr. Harald Hoppe, PD Dr. Martin Presselt
Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2022 bis 2026

Die Stabilität von Polymer-Solarzellen, in denen mindestens eine Komponente der photoaktiven Schicht ein konjugiertes Polymer ist, wird oft in Abhängigkeit vom Beleuchtungsspektrum, Temperatur(zyklen), Feuchtigkeit und Einfluss von Reaktanden wie Sauerstoff und Wasser untersucht. Darüber hinaus ist eine langzeitstabile Durchmischung von Elektronen-Donatoren und -Akzeptoren wesentlich, was einer morphologischen Stabilität entspricht.

Für potentielle Anwendungen sind insbesondere die flexiblen Eigenschaften von organischen Solarmodulen wichtig, was jedoch erhöhte Anforderungen an deren mechanische Stabilität stellt. Aufgrund der in der Anwendung entstehenden Biegung von Solarmodulen können Risse in der Aktivschicht als auch Ablösungen der Aktivschicht von den Ladungsextraktionsschichten (bzw. Elektroden) entstehen. Letzteres nennt man Delamination und der Prozess tritt auf, wenn die Adhäsion zwischen zwei Schichten unzureichend ist, während Risse innerhalb einer Schicht auf eine zu geringe Kohäsion hinweisen. Projekt 4 widmet sich daher der Verhinderung von Rissen und Delaminationsdefekten, als auch deren Heilung. Hierzu werden die Materialeigenschaften gezielt manipuliert, um eine höhere mechanische Widerstandsfähigkeit zu erhalten und aufgetretene Defekte wieder auszuheilen. Die durch die mechanische Beanspruchung entstandenen Defekte werden dann durch mikroskopische und spektroskopische Methoden charakterisiert. Nach der Heilung wird analog vorgegangen, um die Heilung zu quantifizieren.

Prof. Dr. Stefanie Gräfe
Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2022 bis 2026

Selbstheilende Materialien sind aufgrund ihrer Fähigkeit, strukturelle Schäden zu reparieren und dadurch ihre mechanische Stabilität und Eigenschaften wiederzuerlangen, für viele Anwendungen sehr interessant. Bei selbstheilenden Funktionswerkstoffen sollte neben der strukturellen Reparatur idealerweise auch die Funktionalität wiederhergestellt werden. Das Design solcher Materialien ist sehr anspruchsvoll und kann von computergestützten Studien des Selbstheilungsprozesses und der Funktionalität bis hinunter auf die molekulare Ebene profitieren.

In diesem Zusammenhang wird in Projekt 5 ein umfangreiches Instrumentarium an theoretischen und simulativen Methoden eingesetzt, um die Degradation und Wiederherstellung verschiedener selbstheilender Funktionsmaterialien zu verstehen. Die verwendeten Methoden decken unterschiedliche relevante räumliche und zeitliche Skalen ab: Von dynamischen Prozessen und strukturellen Eigenschaften in größerem Maßstab (Molekulardynamik und molekularmechanische Berechnungen) bis hin zur molekularen Ebene (quantenchemische und hybride quantenchemisch-molekularmechanische Berechnungen). Die zu untersuchenden Systeme werden in enger Zusammenarbeit mit den experimentellen Projekten ausgewählt.

Das übergeordnete Ziel des Projekts ist die Modellierung und Erforschung der zugrundeliegenden Mechanismen, die zur Degradation führen, um so die syntheseorientierten Projekte bei der Ermittlung von Möglichkeiten zur Vermeidung der Degradation oder zur Regenerierung des Materials und der Funktionalität zu unterstützen.

Prof. Dr. Benjamin Dietzek-Ivanšić
Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2022 bis 2026

Projekt 6 wird die molekularen Mechanismen in selbstheilenden Materialien für die Energieumwandlung und -speicherung mit Hilfe eines auf multimodaler frequenz- und zeitaufgelöster optischer Spektroskopie basierenden Ansatzes charakterisieren. So sollen Einblicke in Alterungs- und Schadensprozesse aber auch in die Heilung von funktionellen selbstheilenden Materialien erhalten werden. Dabei soll ein detailliertes Verständnis der molekularen Prozesse gewonnen werden, die während des Heilungsprozesses in solchen Materialien ablaufen.

Das Projekt verfolgt hierbei drei Schwerpunkte:

• Untersuchung der molekularen Strukturveränderungen während des Abbaus und der Selbstheilung mittels insitu-Schwingungsspektroskopie und Schwingungs-Spektroelektrochemie in Kombination mit 2D-Korrelationsanalyse, um Struktur-Eigenschafts-Beziehungen im Hinblick auf die zugrundeliegende reversible Selbstheilungschemie abzuleiten;
• Untersuchung des Transports und der chemischen Reaktivität, um eine molekulare Sicht auf die Diffusions- und damit Selbstheilungsprozesse der im Rahmen von FuncHeal untersuchten selbstheilenden Funktionsmaterialien mittels einer Kombination von mikrospektroskopischen Ansätzen basierend auf Fluoreszenz- und nichtlinearer Raman-Mikroskopie zu erhalten. Hier wird die molekulare Sicht mit makroskopischen Heilungsstudien korreliert, um die molekularen Komponenten innerhalb der Materialien zu optimieren, um die gewünschten makroskopischen Eigenschaften zu erreichen.
• Charakterisierung von Prozessen in elektronisch angeregten Zuständen in beschädigten und geheilten Materialien für die Energieumwandlung, um den lichtinduzierten funktionsbestimmenden Prozess in selbstheilenden Materialien für Polymersolarzellen zu validieren. Zudem sollen die spektroskopischen Signaturen elektronischer angeregter Zustände zur Etablierung von Heilungsmetriken genutzt werden.

Prof. Dr. Andrea Balducci
Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2021 bis 2024

Elektrische Doppelschichtkondensatoren (eng. Electric Double-Layer Capacitors, EDLCs) zählen heute zu den wichtigsten Energiespeichern. In diesen Bauelementen wird die Energie durch die Bildung einer elektrischen Doppelschicht an der Grenzfläche zwischen (polarisierten) Elektroden und Ionen des Elektrolyten gespeichert. Stand der Technik ist die Nutzung von Materialien auf Kohlenstoffbasis für die Herstellung der Elektroden in EDLCs. Diese Kohlenstoffe werden jedoch durch mehrstufige Synthesen hergestellt, die mit einem hohen Energiebedarf und einer übermäßigen Anhäufung von Abfällen und Nebenprodukten verbunden sind. Dies steht in scharfem Kontrast zum Kerngedanken der nachhaltigen Energieerzeugung und -speicherung. In diesem Projekt wollen wir die Kohlenstoffsynthesen so gestalten, dass die entstehenden Nebenprodukte nicht als Abfallprodukte behandelt werden, sondern ein für die Realisierung von EDLCs geeignetes Salz erzeugen. Bei diesem Vorgehen tragen die Nebenprodukte zur Funktionalität des gewünschten Endproduktes bei und die anfallenden Reinigungsschritte werden vollständig umgangen. Aus jenem Grund nennen wir diesen Ansatz das "in situ-Elektrolyt"-Konzept. Durch die Kombination der Fachkenntnisse über die Entwicklung von porösem Kohlenstoff der Borchardt Gruppe mit den Fachkenntnissen über das Elektrolytdesign der Balducci Gruppe zielen wir auf die folgenden Aspekte ab: Erstens das Verständnis der zugrunde liegenden Prinzipien des In-situ-Elektrolytkonzepts durch die Untersuchung verschiedener Aktivierungsmittel, Supersäuren und Vorläufermaterialien, zweitens die Nutzung dieser Strategie für die Realisierung von Elektrolyten auf Lithium- und Natriumbasis, drittens die Weiterentwicklung des Konzepts zu Metall-Ionen-Kondensatoren dritten Generation, bei dem sogar das Elektrolytlösungsmittel aus den Abfallprodukten der Kohlenstoffsynthese erzeugt werden kann und viertens die Entwicklung eines In-situ-Elektrolytkonzepts der dritten Generation, bei dem sogar das Elektrolytlösungsmittel aus den Abfallprodukten der Kohlenstoffsynthese erzeugt werden kann.

Prof. Dr. Andrea Balducci
Gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)  
Laufzeit: 2021 bis 2024

Prof. Dr. Lothar Wondraczek
Gefördert von der Europäischen Kommission
Laufzeit: 2015 bis 2024

Prof. Dr. Ulrich S. Schubert
Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2020 bis 2023

Organische Materialien, insbesondere organische Polymere, die als aktive Materialien in Batterien eingesetzt werden, sind derzeit ein intensiv untersuchtes Forschungsthema. Die Verwendung dieser Materialien stellt einen vielversprechenden Ansatz unter Berücksichtigung der

• Nachhaltigkeit, z. B. durch niedrigere Temperaturen bei der Herstellung sowie der Vermeidung von toxischen Elementen und Substanzen sowie von Schwermetallen, der
• Verarbeitbarkeit, z. B. durch druckbare Batterien, sowie der
• Leistung, z. B. durch eine hohe Leistungsdichte (Schnellladefähigkeit),

dar.

Ziel des DFG Schwerpunktprogrammes "Polymer-basierte Batterien" ist die Aufklärung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen sowie das Design und die Synthese neuartiger Aktivmaterialien, die zu Batterien auf Polymerbasis mit vorzugsweise hohen Kapazitäten und längerer Lebensdauer über viele Zyklen führen werden.

Prof. Dr. Ulrich S. Schubert
Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2020 bis 2023

Prof. Dr. Ulrich S. Schubert
Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2020 bis 2023

Prof. Dr. Ulrich S. Schubert
Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2020 bis 2023

Prof. Dr. Ulrich S. Schubert
Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2020 bis 2023

PD Dr. Harald Hoppe
Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2020 bis 2023

Das Projekt wird den Einsatz von Nanodiamanten (NDs) zur Verbesserung der (chemischen, elektrischen, optoelektronischen) Eigenschaften organischer Photovoltaik-Solarzellen (PV) vorantreiben. Die mit NDs vorbereiteten Strukturen werden entweder als Schichten (z.B. durch Erweiterung oder Austausch von Ladungsabsaugschichten wie PEDOT: PSS oder ZnO) oder Volumenkomponente (in ternären Volumen-Hetero-Übergangs organischen Solarzellen) sein. Die NDs variieren in der Größe (1-10 nm) und der Oberflächenterminierung (O, H), die alle sehr gut durch die Präparation definiert sind. Die Strukturen werden durch fortschrittliche Rastermikroskopie-Methoden (KPFM, C-AFM) in der Dunkelheit und unter Beleuchtung (DUV-vis, Sol. Simulator) und makroskopische (z.B. Strom-Spannungs) Messungen charakterisiert. Die physikalisch-chemischen Wechselwirkungen zwischen NDs und anderen Ladungstransportmaterialien werden spektroskopisch untersucht (Raman-Streuung, FTIR, PL). Es wird erwartet, dass das Projekt das Wissen über die Rolle und mögliche Anwendung von NDs in der organischen Photovoltaik (z.B. zur Lichtstreuung, zur aktiven Photoresponse, deren optische und chemische Wechselwirkungen, Ladungsgewinnung und-transport) und welche Konfiguration (Größe und Oberflächenfunktionalisierung von NDs, Schicht- oder Volumenkomponente, Art der Photoaktivschicht-Mischung) die besten Eigenschaften in Bezug auf Leistung und Stabilität aufweisen (Energieumwandlungswirkungsgrad, optische und mechanische Eigenschaften, Degradationsstabilität).

Prof. Dr. Ulrich S. Schubert
Gefördert vom Thüringer Ministerium für Wirtschaft, Wissenschaft und Digitale Gesellschaft (TMWWDG)
Laufzeit: 2020 bis 2023

Prof. Dr. Lothar Wondraczek
Gefördert von der Europäischen Union
Laufzeit: 2019 bis 2023

Prof. Dr. Ulrich S. Schubert
Gefördert von der Europäischen Union
Laufzeit: 2019 bis 2023

Prof. Dr. Lothar Wondraczek
Gefördert von der Europäischen Union
Laufzeit: 2021 bis 2022

Prof. Dr. Ulrich S. Schubert
Gefördert von der Thüringer Aufbaubank (TAB)
Laufzeit: 2020 bis 2022

Prof. Dr. Andrea Balducci
Gefördert von der Thüringer Aufbaubank (TAB)
Laufzeit: 2019 bis 2022

PD Dr. Harald Hoppe
Gefördert vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft
Laufzeit: 2019 bis 2022

Mittels digitaler Sensortechnik lassen sich heute nahezu sämtliche Vitalitätsparameter einer Kuh bzw. eines Rindes in Echtzeit bestimmen und überwachen. Das sind zum Beispiel Körpertemperatur, Blutdruck, Puls und Herzfrequenz, die Blutsauerstoffsättigung, Bewegungsparameter oder die Menge der Futter- und Wasseraufnahme. Dadurch lassen sich Rückschlüsse auf die Gesundheit der Tiere ziehen, Unregelmäßigkeiten im Tagesablauf erkennen oder tierspezifische Entscheidungen bei der Hege ableiten. Was Fitness-Uhren heute für den Menschen leisten können, kann somit in ganz ähnlicher Weise auch für das Tierwohl genutzt werden.

Im Experimentierfeld „Sensorik & Energieversorgung“ werden solche Sensorsysteme unter dem Aspekt der allgemeinen Nutzbarkeit durch den Landwirt betrachtet. Welche Sensorik eignet sich für den Einsatz am Tier und wo liegen Einschränkungen und Grenzen? Welche Parameter lassen sich wo mit welchem Sensor am besten erheben und wie oft ist das eigentlich notwendig? Durch welche Energieversorgung kann die Sensorik ausdauernder oder nachhaltiger gespeist werden? Schließlich benötigt die Sensorik Energie und ein Tier kann man nicht wie ein Mobiltelefon regelmäßig an eine Steckdose schließen. Am Ende muss sich das alles natürlich auch finanziell rechnen, was die Aufgabe entsprechend schwieriger gestaltet.

Diese und weitere Fragen werden für aktuell kommerziell am Markt erhältliche Produkte, und darüber hinaus auch neuartige Technologien für Sensorik, Energiegewinnung, -speicherung und -einsparung experimentell untersucht und wissenschaftlich bewertet. Die zu findenden Antworten werden im Verlauf sowohl für die Forschung als auch für den Praxisanwender aufbereitet und können eine wichtige Entscheidungshilfe für die Einführung der Digitalisierung in der tierbezogenen Landwirtschaft darstellen.

Prof. Dr. Benjamin Dietzek
Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2018 bis 2022

Das Projekt entwickelt aktive Reparaturmechanismen zum Recycling molekularer Katalysatoren und zur Selbstregulation supramolekularer Lichtsammelkomplexe. Reoxidation durch in situ Erzeugung reaktiver Sauerstoffspezies wird genutzt, um hydrierte Brückenliganden zu reparieren. Sanftere Reparaturmethoden, z.B. die Rückoxidation durch oxidativ aktive Polyoxometallate werden untersucht. Die Materialintegration selbstregulierender Antennenkomplexe durch supramolekulare Wechselwirkungen und ihre Regulation durch Änderung der Reaktionsbedingungen wird untersucht.

Prof. Dr. Kalina Peneva
Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2018 bis 2022

Das Projekt entwickelt Syntheserouten zu funktionalisierten Rylen-Antennen und Photosensibilisatoren mit breiter Absorption im Sichtbaren. Die chemische Kopplung an reaktive Katalysatoren und Matrices wird untersucht. Funktionalisierung der Rylene wird zur Steuerung der Löslichkeit, Stabilität und Redoxpotentiale genutzt. pH-responsive Rylen-Farbstoffe werden als selbstregulierende Antennen und optische lokale pH-Sonden entwickelt. Durch photophysikalische Studien werden Reaktivität und Degradationspfade untersucht.

Prof. Dr. Ulrich S. Schubert
Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2018 bis 2022

DNA-Origamis werden genutzt, um funktionelle molekulare Einheiten wie Photosensibilisatoren, Elektronenshuttles oder Katalysatoren oder auch Kopolymere räumlich präzise anzuordnen. Struktur-Eigenschaftsbeziehungen dieser Systeme sowie Elektronentransfer innerhalb der Einheiten werden untersucht. Die genaue Anordnung zweier getrennter molekularer Einheiten auf der DNA-Oberfläche, in räumlicher Nähe zu Polymeren oder die Anordnung zweier Polymere werden untersucht.

Prof. Dr. Ulrich S. Schubert
Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2018 bis 2022

Das Projekt entwickelt die Integration von Photoredox-aktiven Ru-Photosensibilisatoren in redoxaktive Kopolymere durch supramolekulare Wechselwirkungen. Redoxaktive Gruppen wie Anthrachinone oder Viologene werden in den Polymerstrang eingebettet und können als Multielektronen-Speichereinheit während katalytischer Prozesse fungieren. Weitere Funktionalisierung der Polymerstränge durch molekulare HER-Katalysatoren wird untersucht, um katalytisch aktive Systeme zu erzeugen. Anschließend wird der Einfluß der Kopolymer-Struktur auf Elektronentransferprozesse im Detail untersucht.

Prof. Dr. Felix H. Schacher
Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2018 bis 2022

Das Projekt entwickelt hierarchisch strukturierte Block-Kopolymer-Membranen funktionalisiert mit molekularen Photosensibilisatoren sowie POM-WOC und –HER-Katalysatoren. Immobilisierung durch elektrostatische oder kovalente Anker wird entwickelt und deren Auswirkung auf lichtgetriebene Katalysen untersucht. Organo-funktionalisierte POM-WOC und –HER-Katalysatoren werden zur kovalenten Anknüpfung an Membranen entwickelt. Katalytische Synergismen durch Membran-Katalysator-Wechselwirkungen sowie Photokatalyse unter Flußbedingungen werden untersucht.

Prof. Dr. Felix H. Schacher
Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2018 bis 2022

Das Projekt entwickelt photokatalytisch aktive Materialien, in denen Reaktivität oder Zugänglichkeit der Katalysezentren durch externe Parameter wie pH-Wert oder Temperatur gesteuert werden können. Dies führt schließlich zu Kompositen, die optimale Reaktivität über lange Zeiträume beibehalten können. Dazu werden Ruthenium- oder Rylen-Farbstoffe mit Pt oder Co-Katalysatoren in reaktive Block-Kopolymer-Kolloide ko-immobilisiert. Die theoretische Modellierung dieser Wechselwirkungen wird Einblick in die ablaufenden Prozesse liefern.

Prof. Dr. Benjamin Dietzek
Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2018 bis 2022

Das Projekt entwickelt grundlegendes mechanistisches Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Kohlenstoffnitrid (CNx)-Materialien und molekularen Redox-Katalysatoren sowie molekularen Photosensibilisatoren. Das Projekt untersucht Faktoren, welche Ladungstrennung, Ladungsrekombination und katalytischen Turnover in HER und WOC-Katalyse bestimmen. Wir entwickeln Designkriterien für die generelle Entwicklung funktionalisierter photoaktiver CNx-Materialien für lichtgetriebene oxidative und reduktive Katalysen.

Prof. Dr. Andrey Turchanin
Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2018 bis 2022

Regenerierbare molekular-funktionalisierte Kohlenstoffnanomembranen (CNM) für die photokatalytische Wasserstoffentwicklung stehen im Zentrum dieses Projekts. Die CNM werden mittels dynamisch-kovalenter Chemie durch das Aufbringen von Photosensibilisatoren und Katalysatoren funktionalisiert. Die Arbeiten, die zum Ziel haben, den Grundstein für künstliche Blätter auf der Basis von funktionalisierten CNM zu legen, umfassen auch die Charaktersierung und Steuerung der Transporteigenschaften der CNM selber.

Prof. Dr. Benjamin Dietzek
Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2018 bis 2022

Femtosekunden-zeitaufgelöste Spetroelektrochemie und nanoskalig ortsaufgelöste Spektroelektrochemie zur Untersuchung von materialeingebetteten Photokatalysatoren steht im Mittelpunkt dieses Projekts. Das Projekt kombiniert transiente Absorptionsspektroskopie und Spitzen-verstärkte (Raman) Spektroskopie mit elektrochemischen Methoden. So sollen neue Einblicke in das Wechselspiel zwischen molekularer Struktur, molekularer Umgebung und der photoinduzierten Prozesse der Systeme gewonnen werden. Darüber hinaus realisiert das Projekt Nahfeld-verstärkte transiente Absorptionsspektroskopie.

Prof. Dr. Stefanie Gräfe
Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2018 bis 2022

Das Projekt führt theoretische Rechnungen durch, um die Auswirkungen der Einbettung von Photosensibilisator-Katalysator-Dyaden in weiche Materie zu untersuchen. Am Beispiel von Ruthenium-Brückenligand-Platin-Komplexen wird die Änderung ihrer strukturellen, photophysikalischen und HER-katalytischen Eigenschaften untersucht. Als Anfangsmodell wird die Verknüpfung der Komplexe of NiO-Modellelektroden untersucht. Anschließend werden komplexere weiche Matrixes untersucht, um herauszufinden, wie sich Ladungstrennung, Ladungsrekombination und Grenzflächen-Ladungstransfer in Abhängigkeit der Matrix ändern.

Prof. Dr. Andrea Balducci
Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e.V. (DFG)
Laufzeit: 2018 bis 2022

Eine der vielsprechenden Strategien zur schnellen Energiespeicherung, und somit zur Verwirklichung von Hochleistungsenergiespeichern, stellt die Ausbildung einer elektrischen Doppelschicht (electrical double-layer - EDL) in einer porösen, leitfähigen Elektrode, wie z.B. Aktivkohlenstoff (activated carbon - AC), dar. Existierende Modelle von EDLs, die die Grenze zwischen Elektrolyt und Elektrode darzustellen versuchen, stellen diese Grenze als glatte und flache Oberfläche dar, wodurch diese Modelle für AC-Elektroden, die zum größten Teil mikroporös sind (Porengröße < 2 nm), ungeeignet sind. Vor kurzem wurden mittels in-situ Techniken wichtige Informationen über das Doppelschichtverhalten in AC-Elektroden erhalten, wobei allerdings nur ein spezifischer Kohlenstoff und ein spezifischer Elektrolyt verwendet wurden.Aus diesem Grund sollen im EDLstruct Projekt eine Vielzahl von organischen Elektrolyten mit einer Vielzahl von Aktivkohlenstoffen, deren Porosität exakt definiert ist, kombiniert werden mit dem Ziel i) den Einfluss von Porengröße und Molekülgröße auf das Lösungsmittel/Ionen Verhältnis unter Polarisierung zu untersuchen und ii) Zusammenhänge zwischen der Struktur der EDL und dem Rückgang der elektrochemischen Leistungsfähigkeit von Kohlenstoff basierten Elektroden in Abhängigkeit der Temperatur zu finden.Um dieses Projekt realisieren zu können, müssen Fachkenntnisse in Kohlenstoffmaterialien (Arbeitsgruppe PUT) als auch Elektrolyte (Arbeitsgruppe FSU Jena) gebündelt werden. Zusätzlich sind in-operando Techniken (Arbeitsgruppe PUT) notwendig, um die Effekte von molekularen Fließbewegungen und die Auflösung der EDL während der Polarisierung der Elektroden aufzuzeichnen. Die Forschungszielvorgaben werden durch die Verbindung von fünf Arbeitspaketen (WP) erreicht. Die Gruppe der FSU Jena wird eine gewisse Anzahl von nichtwässrigen Elektrolyte konzipieren (WP1), während die Gruppe der PUT ACs mit unterschiedlicher Struktur herstellen und charakterisieren wird. Die elektrochemische Leistungsfähigkeit der ACs in Kombination mit den ausgewählten Elektrolyten wird von beiden Gruppen untersucht. Um Informationen über die Doppelschichtausbildung zu erhalten, führt die PUT Gruppe post-mortem Analysen, wie Temperatur-programmierte Desorption der polarisierten Elektroden und in-operando elektrische Dilatometrie aus (WP3). Der Einfluss der Elektroden-Elektrolyt-Wechselwirkung auf die thermische Stabilität der Doppelschicht wird durch die Gruppen der FSU Jena (TGA/DSC) und der PUT (elektrochemische on-line Massenspektrometrie) in WP4 untersucht. Die experimentellen Ergebnisse werden in WP5 kritisch diskutiert und bieten die Grundlage für Veröffentlichungen in Fachzeitschriften und Präsentationen auf internationalen Fachtagungen.

Prof. Dr. Ulrich S. Schubert
Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2018 bis 2022

Redox-Flow Batterien (RFBs) sind interessante Kandidaten für die stationäre Energiespeicherung. Ihre Kapazität und Leistung kann unabhängig voneinander skaliert werden, indem entweder die Größe des Speichertanks oder des Zellstapels angepasst wird. Im Gegensatz zu klassischen Batterien basieren Redox-Flow Batterien auf Aktivmaterialien, welche gelöst (supendiert) in einem flüssigen Elektrolyten vorliegen. Daher sind die erreichbaren Energiedichten durch die Gegenwart des nicht-aktiven Lösungsmittels (oftmals Wasser) beschränkt. Bis heute wurde hauptsächlich die Vanadium-RFB intensiv untersucht; diese basiert auf Vanadiumionen, welche in Schwefelsäure gelöst sind. In den letzten Jahren ist zunehmend das Interesse an organischen (polymeren) Aktivmaterialien gestiegen.Dieses gemeinsame Projekt hat die Entwicklung von neuen redox-aktiven ionischen Flüssigkeiten (IL) für RFB-Elektrolyte zum Ziel. Hierbei werden alle Moleküle des Elektrolyten redoxaktiv sein. Weiterhin wird das beschränkte Spannungsfenster von wässrigen Elektrolyten erweitert. Dies resultiert schlussendlich in höheren erreichbaren Energiedichten. Im Rahmen des Projektes arbeiten die beiden Partner an der Friedrich-Schiller-Universität Jena (Institut für Technische Chemie und Umweltchemie sowie Institut für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie) eng zusammen. Der letztgenannte Partner wird die Synthese und strukturelle Charakterisierung der neuen redoxaktiven ILs durchführen. Diese ILs setzen sich aus einer redoxaktiven Gruppe und ionischen Gruppen zusammen. Zusätzliche werden Zelltests durchgeführt nachdem der Partner ITUC die hergestellten Materialien intensiv untersucht hat. Hier stehen insbesondere die elektrochemischen und thermischen Eigenschaften dieser Materialien im Vordergrund.

Prof. Dr. Felix Helmut Schacher
Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e.V. (DFG)
Laufzeit: 2018 bis 2022
DFG Verbundprojekt DFG/RSF
Partner: Dr. Larisa Sigolaeva, Moscow State University, Russia

Das Projekt zielt auf die Entwicklung von Reagenz-freien elektrochemischen Methoden für die Identifizierung und quantitative Bestimmung von Nukleinsäuren und Hämoproteinen ab. Die Menge an zirkulierender Tumor DNA, RNA oder mikro RNA kann als Maß für die Diagnose und Vorhersage verschiedener Krebstypen herangezogen werden. Gleichzeitig wird während der Behandlung von Krebszellen eine beträchtliche Menge an Cytochrom C freigesetzt und diese kann als Maß für die Effizienz eines Anti-Tumor Wirkstoffs, die Untersuchung neuer vielversprechender Kandidaten oder im Gegenzug als Indikator für die Resistenz von Zellen gegenüber derartigen Therapien angesehen werden. Die parallele Bestimmung und Quantifizierung dieser Biomarker nebeneinander würde eine beträchtliche Verbesserung der Effizienz von Krebstherapien bedeuten, gerade im Hinblick auf kleine Unterschiede zwischen verschiedenen Patienten und dadurch zur Entwicklung einer personalisierten Medizin beitragen.Die Sensitivität direkter elektrochemischer Analytik hängt strikt von einer guten Integration des Analyten innerhalb der Arbeitselektrode ab, in unserem Fall ein nanostrukturiertes Kompositmaterial. Hierfür werden wir Kohlenstoffnanomaterialien (Kohlenstoffnanoröhren oder Graphenoxid) mit metallischen Nanopartikeln (Gold oder Silber) und amphiphilen Blockcopolymeren kombinieren. In diesem Zusammenhang konzentrieren wir uns zuerst auf eine homogene Dispergierung der Kohlenstoffnanomaterialien, gefolgt von einer Integration der Metall-Nanopartikel. Die hierbei verwendeten amphiphilen Diblockcopolymeren dienen dabei dreierlei Zweck: zuerst dienen diese durch ihre Amphiphilie als Dispergierungshilfe für die Kohlenstoffnanomaterialien, gefolgt von einer Komplexierung von Metallionen im hydrophilen Teil der Blockcopolymere mit einer nachgeschalteten Reduktion zu Nanopartikeln. Schließlich dienen die verwendeten Diblockcopolymere noch als Matrixmaterial, um während der Messungen eine spezifische Interaktion mit den angestrebten Biomolekülen zu gewährleisten. Die Kohlenstoffnanomaterialien hingegen dienen beiderseits der Verbesserung der Leitfähigkeit des Kompositmaterials und sorgen für einen effizienteren Elektronentransfer. Es wird zudem erwartet, dass die Metallnanopartikel electrochemische Reaktionen katalysieren. Zusammen erhoffen wir uns von diesen Effekten eine beträchtliche Verbesserung der Sensitivität und Selektivität der Biosensoren für die direkte elektrochemische Analyse von Nukleinsäuren und Cytochrom C.Innerhalb dieses Projektes werden die Effekte von Aufbau und Zusammensetzung der Biosensoren systematisch mit den resultierenden Bio-analytischen Eigenschaften verglichen. Die vielversprechendsten Konstrukte werden hiernach zuerst auf ihre Eignung als Biosensoren hin untersucht, gefolgt von Anwendungsstudien in komplexen reellen Proben (Blut, Plasma, Serum).

Prof. Dr. Lothar Wondraczek
Gefördert von der Europäischen Kommission
Laufzeit: 2016 bis 2022

Glasses have traditionally been enabling materials to major societal challenges. Significant breakthroughs on many areas of technological progress have been very closely linked to the exploitation of glassy materials. It is strong consensus that this key role will persist in the emerging solutions to major global challenges in living, energy, health, transport and information processing, provided that the fundamental limitations of the presently available empirical or semi-empirical approaches to glass processing can be overcome.

In the coming decade, it is therefore a major task to take the step towards ab initio exploitation of disordered materials through highly-adapted processing strategies. This requires pioneering work and in-depth conceptual developments which combine compositional design, structural evolution and the thermo-kinetics of material deposition into holistic tools. Only those would significantly contribute to solving some of the most urgent materials needs for glass applications in functional devices, be it in the form of thin films, particles or bulk materials.

UTOPES challenges today’s engineering concepts towards the conception of such tools. For that, melt deposition, isothermal deposition from liquid phases, and gas-phase deposition of non-crystalline materials will be treated – within the class of inorganic glasses – in a generalist approach, unified by the understanding that glass formation represents the only strict deviation from self-organization, and that, hence, the evolution of structural complexity in glassy materials can be tailored on any length-scale through adequate processing. Providing a topological scheme for the quantification and chemical tailoring of structural complexity, UTOPES will answer to the challenge of finding order in disorder, and will thus break the grounds for the third generation of glasses with properties beyond what is presently thought as the limits of physical engineering.

BMBF-Verbundprojekt TRANSITION

Prof. Dr. Philipp Adelhelm
Gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Projektpartner: HIU Ulm (Leitung), Friedrich-Schiller Universität Jena, Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW, Ulm)
Laufzeit: 2019-2021

Gegenstand des BMBF-Verbundprojekts sind Untersuchungen zu Natriumionenbatterien

Prof. Dr. Philipp Adelhelm
Gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (Verbundprojekt BMBF)
Projektpartner: Volkswagen AG (Leitung), Friedrich-Schiller Universität Jena, Justus-Liebig Universität Giessen, Forschungszentrum Jülich
Laufzeit: 2019-2021

Gegenstand des BMBF-Verbundprojekts unter Leitung der Volkswagen AG sind Untersuchungen zu natriumbasierten Feststoffbatterien (solid state batteries).

Prof. Dr. Ulrich S. Schubert
Projektpartner: HM Heizkörper
Gefördert von der Thüringer Aufbaubank (TAB), Co-finanziert durch Europäischen Fonds für Regionale Entwicklung (EFRE)
Laufzeit: 2018 bis 2021

Im Rahmen des Verbundprojektes werden neue Energiespeicher erforscht, welche sich sowohl für die Speicherung elektrischer Energie als auch von Wärmeenergie eignen.

Prof. Dr. Enrico Gnecco
Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)

Der Kontakt und damit die Reibung zweier aufeinander gleitender, fester Oberflächen wird stark durch die Umgebung beeinflusst. Diesen Einfluss zu verstehen ist für die Mikro- und Nanotechnologie von großer Bedeutung. Zum Beispiel erweitern sich durch verminderte Reibung die Anwendungsgebiete von MEMS/NEMS und kolloidalen Systemen. Weiterhin kann damit die Bildung und das Aufbrechen von einzelnen Kontaktstellen besser verstanden werden. Ziel diese Projektes ist es den Mechanismus der Reibung zwischen scharfen Siliziumspitzen und anorganischen Materialien (Natriumchlorid, Siliciumdioxid, Calcit und Molybdändisulfid) zu untersuchen. Hierfür wird die Rasterkraftmikroskopie verwendet. Um ionenspezifische Effekte auf die Reibung zu untersuchen, werden die Probenoberflächen elektrolythaltigen Lösungen entlang der Hofmeister-Serien sowie polaren und nicht polaren Lösungen (Ethanol, Aceton, Dichlorbenzole, usw.) verschiedener Viskosität ausgesetzt. Zur Bestimmung der verschiedenen Wechselwirkungspotenziale wird ein innovatives Verfahren genutzt, welches von einem der Antragsteller (RB) entwickelt wurde. Mit diesem Verfahren wird bereits erfolgreich die freie Energie von Proteinen gemessen, die unter mechanischer Kraft entfaltet werden. Die Resultate dieser Experimente werden abschließend mit ergänzenden Informationen aus anderen dynamischen AFM-Messungen verglichen.

Prof. Dr. Philipp Adelhelm
Gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und der Europäischen Union
Projektpartner: Prof. Dr. Teofilo Rojo (CIC EnergiGUNE, Álava, Spanien), Prof. Dr. Shinichi Komaba (Tokyo University of Science, Tokio, Japan)
Laufzeit: 2018-2021

Prof. Dr. Philipp Adelhelm, Prof. Dr. Ulrich S. Schubert, Prof. Dr. Lothar Wondraczek, Prof. Dr. Michael Stelter
Gefördert von der Thüringer Aufbaubank (TAB) und dem Eu­ro­päi­schen So­zi­al­fonds (ESF)
Laufzeit: 2018-2021

Im Zentrum dieser Forschergruppe steht das Thema „Neuartige Hybridfestelektrolyte für Natrium­ionenbatterien (Hy-NIB)“. Dabei wird die Expertise von vier verschiedenen Arbeitsgruppen in den Bereichen Natriumionenbatterien (AG Adelhelm), Polymere für Batterieanwendungen (AG Schubert), ionenleitfähige Keramiken (AG Stelter, über Anbindung Fraunhofer IKTS Hermsdorf) sowie nichtkristallinen Materialien und Materialsynthese (AG Wondraczek) aufgegriffen. Primäres Ziel ist die Präparation und Charakterisierung von natriumionenleitenden Hybridfestelektrolyten, welche auf einem Komposit bestehend aus Polymermatrix mit dispergierter Keramikphase basieren und für den Einsatzbereich bis 65 °C vorgesehen sind. Der Hybridansatz soll dabei die Vorteile polymerer und keramischer Festelektrolyte kombinieren und gleichzeitig derzeitige Schwierigkeiten der einzelnen Systeme umgehen. Rein keramische Elektrolyte zeigen hohe Leitfähigkeiten, sind aufgrund ihrer Sprödigkeit bisher aber nur schwer prozessierbar. Rein polymere Elektrolyte können aufgrund ihrer unzureichenden Leitfähigkeit bisher nicht bei Raumtemperatur eingesetzt werden. Beiden gemeinsam aber ist ein höheres Maß an Betriebssicherheit im Vergleich zu konventionellen Flüssigelektrolyten. Mit dem Fokus auf Natriumionenbatterien wird zugleich ein noch sehr neues Forschungsfeld erschlossen. Mögliche Vorteile gegenüber der bereits wesentlich genauer untersuchten Lithiumionen­technologie liegen in der wesentlich besseren Verfügbarkeit des Elements (Preis), der geringeren Ionenfeldstärke (geringere Polarisation der chemischen Umgebung), dem Vorhanden­sein keramischer Festelektrolyte mit besonders günstigen Gesamteigenschaften (beta-Aluminat, Nasicon) sowie die bessere Verformbarkeit des Metalls. Mit Blick auf die An­wendung ist der Einsatz von Natriumionenbatterien insbesondere für stationäre Energie­speicher mit hoher Speicherdichte interessant.

Dr. Ralf Kriegel
Gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI)

• Entwicklung eines Miniatur-Sauerstofferzeuger
• Reinst-Sauerstoff für Kleinverbraucher
• Eliminiert aufwändige Transportprozesse von Gasbehältern und Emissionen

Dr. Ralf Kriegel
Gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI)

• Erzeugung von Sauerstoff am Industrieofen mit gemischt leitenden Membranen
• Nutzung der Prozesswärme des Verbrennungsprozesses zur Membranbeheizung
• Senkung Elektroenergiebedarf für O2-Erzeugung auf 0,3 kWh(el.)Nm^3 O2
• Nachweis der Senkung des Brennstoffverbrauchs
• Indirekte Minderung von CO2-Emissionen

Dr. Ralf Kriegel
Gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI)

• Konzeption, Konstruktion, Bau und Erprobung einer Demonstrationsanlage zur O2-Erzeugung mit gemischt leitenden Membranen
• Energieverbrauch der großindustriellen kryogenen Luftzerlegung erreicht (ca. 0.5 kWh(el.)/Nm^3 O2)
• bei wesentlich geringerer O2-Prodktionsrate (10 Nm^3 O2/h)
• deshalb zur dezentralen O2-Produktion geeignet
• senkt Kosten der Sauerstoffproduktion, vor allem für kleinere und mittlere Verbraucher von Sauerstoff
• senkt CO2-Emissionen der Sauerstoffproduktion durch Vermeidung des Transportaufwands
• eröffnet neue Anwendungsbereiche

Dr. Ralf Kriegel
Gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

• Entwicklung von Herstellungsverfahren für katalytisch aktive Mischmetalloxide (MMO)
• Robuste, preiswerte Katalysatoren für die Abgasreinigung
• Elektrokatalysatoren für die alkalische Wasserelektorlyse für nachhaltig erzeugten Wasserstoff
• Wirkungsgradsteigerung der Elektrolyse bzw. Senkung des spezifischen Stromverbrauchs

ZIM FuE-Kooperationsprojekt

PD Dr. Harald Hoppe
Gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI)
Projektpartner: InfraTec GmbH, DresdenExterner Link
Laufzeit: 2019-2021

Gegenstand des ZIM-Projektes ist die Entwicklung einer Inline-Inspektion, die für die Hochdurchsatzproduktion von Rollenwaren, und insbesondere für die Dünnschichtphotovoltaik, auch bei sehr hohen Bandvorschüben geeignet ist.

Prof. Dr. Ulrich S. Schubert
Gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI)
Laufzeit: 2017 bis 2020

Mit dem Forschungsvorhaben zur Entwicklung einer photoelektrochemischen Redox-Flow-Batterie (Photo-RFB) soll ein Energiespeichersystem bereitgestellt werden, welches zusätzlich zu seinen Funktionen als Speicher auch direkt mit Sonnenlicht geladen werden kann, ohne dass dafür eine separate Stromzufuhr oder weitere Peripherie erforderlich sind. Im Gegensatz zu der Kombination einer Photovoltaik-Zelle mit einer separaten Batterie können in einem solchen integrierten System viele Komponenten sowie ein Teil der Regelungstechnik eingespart werden und das Gesamtsystem so kostengünstiger, kleiner und effizienter realisiert werden. Aufgrund dieser Eigenschaften bieten sich Photo-RFB als eine der Schlüsseltechnologien für das Gelingen der Energiewende an. Die wesentlichen Ziele dieses Forschungsvorhabens sind daher die Entwicklung, Charakterisierung und Optimierung von Materialien für Photoelektroden und darauf maßgeschneiderte organische Elektrolyten für den Einsatz in Photo-RFB sowie ein dazu passendes Zell- und Modulkonzept. Neben der Entwicklung des Systems und seiner Komponenten sollen zudem auch fundamentale Daten zu der Effizienz und den limitierenden Faktoren dieser innovativen Technologie gesammelt werden, die bisher nicht verfügbar sind. Dieses Wissen ist unabdingbar für eine kritische Evaluierung der Wettbewerbsfähigkeit dieses neuartigen integrierten Systems.

Prof. Dr. Andrea Balducci/Prof. Dr. Ulrich S. Schubert
Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e.V. (DFG)
Laufzeit: 2018 bis 2021

Prof. Dr. Andrea Balducci
Gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI)
Laufzeit: 2017 bis 2020

Prof. Dr. Andrea Balducci
Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e.V. (DFG)
Laufzeit: 2017 bis 2020

Dieses Projekt dient der Entwicklung einer innovativen Strategie fur die Suche nach neuen Elektrolytkomponenten zur Nutzung in elektrochemischen Doppelschichtkondensatoren (EDLCs), wofur computergestutztes Screening mit experimentellen Methoden elektrochemischer Charakterisierung kombiniert werden sollen. Für die Entwicklung verbesserter EDLCs ist die Einfuhrung neuer Elektrolytkomponenten (Lösungsmittel, Leitsalze) dringend notwendig, allerdings ist die rein experimentelle Suche sehr aufwändig, insbesondere wenn ganz neue Substanzklassen untersucht werden sollen. Eine effektive 'virtuelle' Screening-Methode sollte trial-and-error Versuche vermeiden helfen, wozu allerdings die schnelle Vorhersage eine ganzen Reihe von Eigenschaften fur eine sehr große Anzahl von Kandidaten vonnöten ist, um die vielversprechendsten Kandidaten sicher zu identifizieren. Wir haben kurzlich gezeigt, dass ein solcher Ansatz erfolgreich angewendet werden kann und somit als sehr hilfreiches Werkzeug fur die Weiterentwicklung von EDLCs gesehen werden sollte. Weitere Arbeit ist allerdings erforderlich um die Strategie zu optimieren und die chemico-physikalischen und elektrochemischen Eigenschaften der neuen Lösungsmittel und Leitsalze zu verstehen.

Prof. Dr. Andrey Turchanin
Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e.V. (DFG)
Laufzeit: 2017 bis 2020

Prof. Dr. Andrey Turchanin
Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e.V. (DFG)
Laufzeit: 2016 bis 2020

Prof. Dr. Philipp Adelhelm
Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e.V. (DFG) und dem Chinesisch-Deutschen Zentrum für Wissenschaftsförderung (CDZ)
Internationales Gemeinschaftsprojekt mit dem National Center for Nanoscience and Technology, Peking (China)
Laufzeit: 2017-2019

Prof. Dr. Felix Helmut Schacher
Laufzeit: 2018 bis 2019

Prof. Dr. Ulrich S. Schubert
Funded by the Thüringer Aufbaubank (TAB)
Funding period: 2018 to 2019

Prof. Dr. Michael Stelter / Dr. Patrick Bräutigam
Gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI)
Laufzeit: 2017 bis 2019

Prof. Dr. Michael Stelter / Dr. Patrick Bräutigam
Gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI)
Laufzeit: 2017 bis 20

Prof. Dr. Lothar Wondraczek
Gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Laufzeit: 2017 bis 2019

Prof. Dr. Lothar Wondraczek (Koordinator)
Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e.V. (DFG)
Laufzeit: 2012 bis 2019

Glaswerkstoffe zeigen grundsätzlich sprödes Verhalten und werden daher traditionell in (zug-)spannungsfreien Umgebungen angewandt. Andererseits gehören glasige Materialien aufgrund ihrer inneren Struktur zu den intrinsisch festesten Werkstoffen, vor allem im Hinblick auf das mögliche Produktionsvolumen. Aufgrund geringer Widerstandsfähigkeit gegen Oberflächenschädigungen können diese einzigartigen mechanischen Eigenschaften bisher jedoch nicht nutzbar gemacht werden. Über alle Klassen von glasigen Materialien - insbesondere metallische und klassische anorganische Oxidgläser - werden die mechanischen Eigenschaften durch grundlegende topologische Prinzipien bestimmt: molekulare Koordination, Packungsdichte, Bindungszustände und Feldstärken, strukturelle Heterogenität, strukturelle Dynamik etc. Ziel des Schwerpunktprogramms ist es, diese Prinzipien über die verschiedenen Materialklassen aufzuklären, Skalierungsregeln zu finden und auf die Entwicklung von Gläsern mit herausragenden mechanischen Eigenschaften anzuwenden. Schlüssel für den wissenschaftlichen und internationalen Erfolg dieses Netzwerks ist die effektive Koordination, für die eine Reihe von Aktivitäten vorgesehen ist. Diese betreffen insbesondere die Organisation von Tagungen und Workshops auf nationaler und internationaler Ebene, Maßnahmen zur Gleichstellung und Nachwuchsförderung, nationales und internationales Mentoring sowie die stetige Entwicklung des Forschernetzwerks.

Prof. Dr. Philipp Adelhelm
Gefördert von der Thüringer Aufbaubank (TAB) und dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE)
Laufzeit: 2017-2019

Prof. Dr. Ulrich S. Schubert
Gefördert von der Thüringer Aufbaubank (TAB)
Laufzeit: 2017 bis 2019

Prof. Dr. Ulrich S. Schubert
Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e.V. (DFG)
Laufzeit: 2016 bis 2019

Die Verbreitung mobiler Geräte und deren zunehmende allgegenwärtige Vernetzung mit dem Internet (Internet of Things) macht die Entwicklung platzsparender wie auch biegbarer Stromspeicher erforderlich. Die derzeitige Referenztechnologie der Lithiumionenakkumulatoren erweist sich dabei als nur bedingt geeignet, da zum Einen die Herstellung mechanisch flexibler Systeme nur eingeschränkt möglich ist und zum Anderen sich sowohl die Gewinnung und Verarbeitung der benötigten Rohstoffe als auch die Entsorgung ausgedienter Batterien ökologisch hoch anspruchsvoll gestaltet.

Aus diesen Gründen wird mehr und mehr Aufwand in die Entwicklung organischer redoxaktiver Moleküle als Grundlage für Dünnschichtsekundärbatterien investiert. Diese lassen sich durch organische Synthese herstellen und durch Verbrennen idealerweise rückstandslos entsorgen. Weiterhin lassen sich ihre (elektro)chemischen Eigenschaften durch Optimierung der gewählten chemischen Strukturen an unterschiedlichste Anforderungen anpassen. Jedoch haben kleine Moleküle den Nachteil, sich unter Umständen in der Akkumulatorzelle zu lösen und so die Lebenszeit drastisch zu reduzieren. Deshalb werden die monomeren redoxaktiven Einheiten in langkettige Polymere integriert, die eine wesentlich schlechtere Löslichkeit aufweisen.

Im Rahmen dieses Projektes sollen im Speziellen Polymere auf Grundlage des Benzo-1,2,4-triazinylradikal entwickelt werden. Dieses Molekül zeichnet sich durch elektrochemische Reversibilität, Stabilität gegenüber Luft und Wasser sowie gute synthetische Zugänglichkeit aus. Des Weiteren lassen sich seine Redoxeigenschaften sehr einfach durch Wahl eines geeigneten Subsitutionsmusters einstellen, sodass auch Systeme erzeugt werden können, die sowohl als Anode als auch als Kathode fungieren können und den Bau einer bipolaren, pol-losen Batterie ermöglichen.

Prof. Dr. Philipp Adelhelm
Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e.V. (DFG)
Laufzeit: 2016-2019

Die Entwicklung von elektrochemischen Energiespeichern gilt als wichtige Voraussetzung, um erneuerbaren Energien auf breiter Ebene zum Durchbruch zu verhelfen. Dies gilt sowohl für mobile Anwendungen als auch für stationäre Speichersysteme. Neben den auf Interkalations- bzw. Insertionsverbindungen beruhenden klassischen Lithiumionen-Batterien werden dabei auch verstärkt alternative Systeme mit potenziell höheren Energiedichten und/oder basierend auf günstigen Materialien untersucht. Eine Alternative zu den auf Interkalation bzw. Insertion beruhenden Elektrodenreaktionen stellen sogenannte Konversionsreaktionen der allgemeinen Form MaXb + (bc)Li = aM + b LicX dar. M steht hierbei in der Regel für ein 3d Übergangsmetall (Fe, Co, Ni, Cu, etc.), X in der Regel für ein Nichtmetall (F, O, N, P, S etc.) und Li für Lithium. Trotz zahlreicher Untersuchungen auf dem Gebiet der Konversionsreaktionen in lithiumbasierten Systemen konnte bisher keine Konversionselektrode identifiziert werden, die bei Raumtemperatur eine zufriedenstellende Zellcharakteristik aufweist. Ziel des vorgeschlagenen Projekts ist es daher, die bisher kaum untersuchte Zellchemie von natriumbasierten Konversionsreaktionen bei Raumtemperatur zu erschließen und auf ihren Einsatz in Natriumionen-Batterien hin zu prüfen. Insbesondere sollen Metalloxide, -fluoride, und -hydride untersucht werden. Es ist ein zweites wesentliches Ziel, die Zellchemie von lithium- und natriumbasierten Konversionsreaktionen zu vergleichen. Aus den Unterschieden und Ähnlichkeiten soll ein vertieftes Verständnis für die den Konversionsreaktionen zugrundeliegenden Mechanismen und Teilprozessen erlangt werden, um damit mögliche Verbesserungsansätze formulieren zu können. In beiden Fällen sollen Experimente an Dünnschicht-Modellsystemen helfen, eine möglichst genaue und umfassende Charakterisierung der Elektrodenreaktionen zu ermöglichen. Natrium zeichnet sich hierbei im Vergleich zu Lithium durch eine oftmals bessere analytische Zugänglichkeit aus. Die Ziele sollen mittels zweier parallel verlaufender Teilprojekte Volumenphase und Modell-Schichtsysteme erreicht werden. Im Teilprojekt Volumenphase soll insbesondere die allgemeine Zellchemie von Konversionsreaktionen mit Standardmethoden systematisch erschlossen werden (XRD, SEM, TEM, XPS, Zyklisierung, Zyklovoltametrie, Impedanzspektroskopie, Massenspektrometrie) und die für das Projekt interessantesten Systeme für den Vergleich zwischen Natrium und Lithium identifiziert werden. Im Teilprojekt Modell-Schichtsysteme sollen von ausgewählten Systemen mittels gepulster Laserdeposition (PLD) Modellelektroden bzw. -zellen präpariert werden, die eine eingehendere Untersuchung der Konversionsreaktionen bis hin zu in situ Experimenten erlauben.

Prof. Dr. Lothar Wondraczek
Gefördert von der Carl-Zeiss-Stiftung
Laufzeit: 2015 bis 2019

Prof. Dr. Philipp Adelhelm
Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e.V. (DFG)
Gemeinschaftsprojekt mit Prof. Dr. Doreen Mollenhauer (Justus-Liebig-Universität Gießen)
Laufzeit: 2017-2018

Prof. Dr. Ulrich S. Schubert
Gefördert von der Thüringer Aufbaubank (TAB), Co-finanziert durch Mittel des Europäischen Sozialfonds (ESF)/Europäischen Fonds für Regionale Entwicklung (EFRE)
Laufzeit: 2016 bis 2018

Redox-Flow-Batterien (RFB) basieren im Gegensatz zu den meisten konventionellen Batterien auf Aktivmaterialien, welche in gelöster Form vorliegen. In den Elektrolyten kann die Energie (der Strom) gespeichert werden. Diese werden in zwei Vorratstanks gespeichert und können in einer elektrochemischen Zelle geladen bzw. wieder entladen werden. Bislang basieren kommerzielle RFBs hauptsächlich auf Vanadiumelektroylten. Im Rahmen des Teilvorhabens sollen nun neuartige Elektrolyte untersucht werden, welche auf organischen Polymeren basieren. Im Gegensatz zu den bisher genutzten Elektrolyten auf Basis von linearen redoxaktiven Polymeren werden (hoch)verzweigte Polymere als Aktivmaterial untersucht werden. Aufgrund der anderen Polymerstruktur werden bessere Eigenschaften bei den resultierenden Elektrolyten erwartet. So weisen Lösungen von verzweigten Polymeren im Vergleich zu ihren linearen Gegenstücken, niedrigere Viskositäten auf.

Prof. Dr. Andrey Turchanin
Gefördert von der Europäischen Kommission
Laufzeit: 2016 bis 2018

Prof. Dr. Philipp Adelhelm
Gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Verbundprojekt unter Leitung der BMW AG
Laufzeit: 2016-2018

Prof. Dr. Andrea Balducci
Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e.V. (DFG)
Laufzeit: 2015 bis 2018

Prof. Dr. Michael Stelter / Dr. Patrick Bräutigam
Gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI)
Laufzeit: 2015 bis 2018

Prof. Dr. Michael Stelter / Dr. Patrick Bräutigam
Gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Laufzeit: 2015 bis 2018

Prof. Dr. Markus Rettenmayr
Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e.V. (DFG)
Laufzeit: 2015 bis 2018

Thermoelektrische Materialien können Wärme direkt in elektrischen Strom umwandeln. Generatoren aus thermoelektrischen Materialien sind aber in ihrer Effizienz noch nicht so weit optimiert wie konkurrierende Technologien. Eine der Schwachstellen sind die n-halbleitenden thermoelektrischen Materialien, die im Projekt über eine neu entwickelte Methode (Zonenschmelzen mit konzentrationsoptimiertem Impfkristall) weiter entwickelt werden.

innerhalb des SPP1568 Design and Generic Principles of Self-healing Materials
PD Dr. Martin Presselt
Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e.V. (DFG)
Laufzeit: 2014 - 2018

Prof. Dr. Philipp Adelhelm
Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e.V. (DFG)
Laufzeit: 2018

Prof. Ulrich S. Schubert, PD Dr. Harald Hoppe, Dr. Martin H. Hager
Gefördert von der Thüringer Aufbaubank (TAB), Co-finanziert durch Mittel des Europäischen Sozialfonds (ESF)
Laufzeit: 2016-2018
Projektpartner: Dr. Gudrun Andrä, Leibnitz Institute of Photonic Technology (IPHT), Jena

Prof. Dr. Lothar Wondraczek
Gefördert vom Europäischen Sozialfond (ESF)
Laufzeit: 2016 bis 2017

Prof. Dr. Michael Stelter / Dr. Patrick Bräutigam
Gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI)
Laufzeit: 2015 bis 2017

Prof. Dr. Lothar Wondraczek (Koordinator)
Gefördert von der Europäischen Kommission
Laufzeit: 2015 bis 2017

Prof. Dr. Felix Helmut Schacher
Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e.V. (DFG)
Laufzeit: 2014 bis 2017
DFG Teilprojekt im SPP1568

PD Dr. Martin Presselt
Gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Laufzeit: 2013 - 2017

Prof. Dr. Michael Stelter / Dr. Patrick Bräutigam
Gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI)
Laufzeit: 2014 bis 2016