Forschung

T. Engemann

TU Ilmenau/ A. Ispas

Wasser ist das am meisten verwendete Lösungsmittel, welches für die meisten chemischen Reaktionen verwendet wird. Daneben finden organische Lösungsmittel wie N.N-Dimethylformamid, Acetonitril oder Dichlormethan - trotz ihrer Giftigkeit, Entzündbarkeit und Flüchtigkeit - Verwendung. Jedoch können nicht alle Stoffe (Metallsalze) in Wasser oder in organischen Lösungsmitteln gelöst werden und nicht alle Reaktionen können in ihnen ablaufen. Weiterhin können viele Metalle nicht aus diesen Medien abgeschieden werden.

Seit den späten 1990er Jahren wurde die Aufmerksamkeit von Chemikern auf eine neue Art von Lösungsmitteln gelenkt: den ionischen Flüssigkeiten. Sie sind Salze die bei relativ geringen Temperaturen flüssig sind. Gewöhnlich haben sie einen zu vernachlässigenden Dampfdruck, so dass sie bei normalen Temperaturen und Drücken nicht verdampfen. Sie sind im Allgemeinen nicht entzündlich und zum Teil bis ca. 400°C stabil und nicht giftig. Sie besitzen ein breites elektrochemisches Potentialfenster von ca. 3 bis 4 V, während das der wässrigen Systeme kleiner als 2 V ist. Dies erlaubt die elektrochemische Abscheidung von mehr Metallen als aus wässrigen oder organischen Lösungen.

Heute werden ionische Flüssigkeiten nicht nur in der Elektrochemie sondern auch in der Biochemie, der organischen und anorganischen Chemie und in dem Materialwissenschaften eingesetzt.

Ansprechpartner: Dr. rer. nat. Adriana Ispas

TU Ilmenau/ M. Leimach

TU Ilmenau/ M. Leimbach

Überall, wo elektrische Ladungen Phasengrenzen überwinden müssen, spielt die Elektrochemie eine zentrale Rolle. Wir untersuchen die Mechanismen solcher Vorgänge und entwickeln daraus Strategien für die Gestaltung wirtschaftlicher und nachhaltiger Prozesse. Ein Beispiel mit hoher industrieller Relevanz ist die elektrochemische Oberflächentechnik, wo elektrochemische Prozesse wie die galvanische Metallabscheidung oder Anodisierung eingesetzt werden, um Oberflächen zu vergüten (z.B. für den Korrosions- und Verschleißschutz) oder neuartige Funktionsmaterialien (z.B. Verbundmaterialien) zu erzeugen.

Ansprechpartner: Mathias Fritz / Martin Leimbach

TU Ilmenau/ PD Dr. S. Ivanov

TU Ilmenau/ PD Dr. S. Ivanov

Effiziente und skalierbare elektrochemische Energiespeicher werden unter anderem benötigt, um eine umweltfreundliche Energieversorgung zu gewährleisten. Weiterhin sind sie der Grundstein für eine nachhaltige Elektromobilität.

Unsere Forschungsaktivitäten im Bereich Energiespeicher zielen auf die folgenden Aspekte:

• Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse

Die industrielle Erzeugung von Wasserstoff mit erneuerbaren Energieträgern stellt einen wichtigen Meilenstein auf dem Weg zu CO₂-neutraler Wirtschaft und Mobilität dar. Dazu ist die Weiterentwicklung robuster und skalierbarer Elektrolyseverfahren, insbesondere membranbasierter Verfahren wie PEM (Polymer Electrolyte Membrane) und AEM (alkaline anion-exchange membranes), notwendig. Unsere Forschungsschwerpunkte in diesem Bereich liegen auf der Entwicklung korrosionsbeständiger Materialien für Elektrolyseurkomponenten, kostengünstiger Katalysatoren und der Optimierung der Strömungsverhältnisse in der Elektrolysezellen.

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Martin Leimbach; Mario Kurniawan

•  Verbesserung der Energie- und Leistungsdichte durch gezielte Materialoptimierung und Synthese neuartiger Strukturen

Eine verbesserte Leistung der Batteriematerialien wird erreicht durch verschiedene Verfahren, einschließlich Nanosynthese, Nanostrukturierung, Oberflächenmodifikation von aktiven Materialien und durch neue Möglichkeiten für die Übergangsmetallsubstitution in Kathodenmaterialien. Die Auswahl der hochenergetischen Aktivmaterialien und die Untersuchung ihrer strukturellen Eigenschaften sind wichtig für die Performanceverbesserung. Unsere Materialforschung umfasst unter anderen metallsubstituierte NMC, LMNO Spinelle, Silizium und TiO₂ basierte Anodenmaterialien.

• Verbesserung der Sicherheit durch neue Elektrolyte und Untersuchung der Degradationsmechanismen in Li-ionen-Batterien

Die Aktivitäten in Richtung Sicherheit umfassen die Entwicklung neuer Elektrolyte und Additive für die Minimierung der Sicherheitsprobleme. Besondere Aspekte zur Verbesserung der Batteriesicherheit sind nicht brennbare Elektrolyte (z.B. ionische Flüssigkeiten), durch Additive modifizierte Elektrolyte und Untersuchung des Einflusses von Wasserkontaminierung.

• Anwendung neuartiger analytischer Methoden

Zur Untersuchung unserer Materialien und der Elektrolyt-Elektroden Grenzflächen sind unter anderen wichtige analytische Methoden wie Rasterkraftmikroskopie, Röntgenphotoelektronenspektroskopie, Röntgendiffraktion, elektrochemische Dilatometrie und Impedanzspektroskopie in der Anwendung.

Ansprechpartner: Priv.-Doz. Dr.-Ing. habil. Svetlozar Dimitrov Ivanov; Dr.-Ing. Michael Stich

TU Ilmenau/ Lara Eggert

Die Produktion von Wasserstoff könnte ein wichtiger Bestandteil für die zukünftige Energieversorgung werden. Hierbei gibt es verschiedene Wege, den Wasserstoff herzustellen. Derzeit wird Wasserstoff hauptsächlich über klassische Methoden wie Dampfreformierung von Erdgas, Wasserelektrolyse und chemische Dehydrierung produziert. Die photoelektrochemische Wasserspaltung ist eine weitere umweltschonende Methode, um Wasserstoff über eine Photoelektrode zu gewinnen. Hierbei wird direkt das Sonnenlicht durch eine Halbleiterelektrode zur solaren Wasserspaltung genutzt.

In der Photoelektrochemie werden die Bereiche Halbleiterphysik, Elektrochemie und Materialwissenschaft miteinander kombiniert. Die wichtigsten Anforderungen an die Halbleiterelektrode sind:

 -         Gute Lichtabsorption im sichtbaren Bereich

-          Lage der Bandkanten zum Wasserredoxpotential

-          Hohe photoelektrochemische Stabilität

-          Effizienter Ladungstransfer

-          Katalytische Aktivität

-          Geringe Kosten

Im Fachgebiet forschen wir an Materialien zur photoelektrochemischen Wasserstoffproduktion. Hierbei untersuchen wir zum einen klassische Halbleitermaterialien, wie z.B. Silizium und III-V- Halbleiter und zum anderen beschäftigen wir uns mit der Herstellung von porösen Cu₂O- Halbleiterelektroden. Dabei legen wir den Fokus der Forschung auf Materialstabilität, Kinetik an der Grenzfläche zwischen Halbleiter und Elektrolyt, katalytische Effekte, Ladungstransport und optische Parameter des Halbleiters.

Ansprechpartner: Mario Kurniawan

TU Ilmenau/ R. Peipmann

Verbindungen wie Polyanilin (PAni), Polypyrrol (PPy) oder Poly(3,4-ethylendioxythiophen) (PEDOT) gehören zu den intrinsich leitfähigen Polymeren. Sie besitzen mehrere Oxidationszustände, deren Eigenschaften (z.B. Farbe, Bandlücke, Leitfähigkeit oder Volumen) sich voneinander unterscheiden. Mögliche Anwendungen dieser Polymere sind antistatische Beschichtungen oder Elektrodenmaterialien in Sensoren.

Durch den Einbau von anorganischen Materialien (z.B. nanoskalige Metallpartikel) erhält man Hybridmaterialien, die oftmals die Eigenschaften beider Komponenten vorteilhaft miteinander verbinden. Wir verfolgen diesen Ansatz vor allem im Hinblick auf sensorische und katalytische Anwendungen.

Ansprechepartner: Dr. rer. nat. Adriana Ispas