Wie k?nnen wir nachhaltiger leben und die Zukunft auf unserem Planeten gemeinsam gestalten? Darum dreht sich vom 20. bis 26. September die sechste ?Europ?ische Nachhaltigkeitswoche“ (ENW). Beim Thema nachhaltiges Leben ist auch die Wissenschaft gefragt. In einem Special zur ENW stellen wir ab heute immer dienstags spannende Forschungsprojekte von Paderborner Forscher*innen vor, die sich mit einem Nachhaltigkeitsthema besch?ftigen.
Ressourcenschonend und effizient: Nanomaterialien erm?glichen neue Funktionen
Nachhaltige Energiekonzepte erfordern moderne Materialien mit ma?geschneiderten funktionalen Eigenschaften: Lithium-Ionen-Akkus ben?tigen leistungsstarke Elektroden, Wasserstoff-Brennstoffzellen hingegen sind auf effiziente Elektrolytmembranen angewiesen. Bei vielen Konzepten zur CO2-neutralen Erzeugung, effizienten Speicherung oder Einsparung elektrischer Energie kommt der Chemie daher eine Schlüsselrolle zu. Nanomaterialien, also Stoffe mit Strukturen auf einer Gr??enskala im Bereich von wenigen Nanometern (Millionstel Millimetern), sind dabei von ganz besonderer Bedeutung: Aufgrund ihrer Struktur besitzen sie besondere Eigenschaften, die oftmals ganz neue Funktionen für nachhaltige Energiekonzepte erm?glichen. Wie sich mithilfe dieser Stoffe leistungsst?rkere Batterien entwickeln lassen oder ein Wasserstoff-Auto weitere Entfernungen zurücklegen kann, erforschen Wissenschaftler*innen der Arbeitsgruppe ?Anorganische Funktionsmaterialien“ an der Universit?t Paderborn.
Energiespeicherung und -gewinnung: Auf die Chemie kommt es an
?Alle wichtigen Methoden zur Speicherung elektrischer Energie basieren auf chemischen Vorg?ngen“, erkl?rt Prof. Dr. Michael Tiemann, Leiter der Arbeitsgruppe. Damit sich Elektrizit?t überhaupt in nennenswerten Mengen speichern l?sst, muss sie zun?chst in eine andere Energieform umgewandelt werden. ?Dabei handelt es sich fast immer um ?chemische Energie‘“, so der Wissenschaftler. ?Man erzeugt chemische Verbindungen, oder – im Falle von Wasserstoff – ein chemisches Element, wobei man Energie verbraucht. Diese Energie wird sp?ter bei Bedarf wieder verfügbar, wenn die Verbindung chemisch ?zurückreagiert‘. Die freiwerdende Energie wird dann als elektrischer Strom gewonnen“. Der Professor für Anorganische Chemie nennt ein einfaches Beispiel: ?In jeder Batterie finden solche chemischen Reaktionen statt: Beim Laden der Batterie wird für diese Reaktionen elektrischer Strom verbraucht, beim Entladen, also bei der Nutzung der Batterie, wird der Strom wieder frei, weil die Reaktion nun in umgekehrter Richtung abl?uft. Wir sprechen daher auch von ?elektrochemischen Zellen’.“ Letztlich seien Batterien daher nichts anderes als kleine ?chemische Reaktoren“.
In nachhaltigen Energiekonzepten ist die Energiespeicherung aber eigentlich erst der zweite Schritt. Zun?chst muss die Energie aus einer regenerativen Quelle gewonnen werden. Auch für diesen ersten Schritt der Energiegewinnung komme es in zunehmendem Ma?e auf die Chemie an, wie Tiemann erl?utert: ?Wasserstoff, zum Beispiel für die Brennstoffzelle, kommt in der Natur nicht in elementarer Form vor, sondern muss erst chemisch erzeugt werden. Zwar ist das mit regenerativen Mitteln derzeit noch nicht sehr effizient, doch zukünftige Methoden werden auf fortgeschrittenen chemischen Verfahren beruhen, etwa auf der sogenannten photokatalytischen Wasserspaltung.“
Neue Funktionen durch Nanomaterialien
Um nachhaltige Energiekonzepte auszubauen und zu verbessern, konzentriert sich das Team rund um Tiemann auf nano- und mikrostrukturierte Feststoffe. Die Untersuchungsobjekte der Chemiker bewegen sich dabei auf einer Gr??enskala im Bereich von wenigen Nanometern: ?Wir erforschen sogenannte Nanomaterialien. Diese Stoffe sind sehr viel kleiner als die Dinge, mit denen wir es im Alltag normalerweise zu tun haben. Ein Nanometer entspricht einem Millionstel Millimeter. Ein menschliches Haar zum Beispiel, ist immer noch zehntausend bis hunderttausend Nanometer dick“, so Tiemann.
Die Forschungsaktivit?ten der Paderborner Wissenschaftler*innen liegen einerseits in der Synthese neuer nanostrukturierter Materialien, andererseits in der Untersuchung ihrer besonderen Funktionen. Dazu der Chemiker: ?Stoffe, insbesondere Festk?rper, mit bestimmten Eigenschaften, durch die sie für besondere Aufgaben – also Funktionen – eingesetzt werden k?nnen, bezeichnet man als Funktionsmaterialien.“ Nanomaterialien haben Tiemann zufolge aufgrund ihrer Nanostruktur oftmals besondere Eigenschaften, durch die sie sich von Stoffen der klassischen Molekül- oder Festk?rperchemie unterscheiden. ?Chemiker k?nnen solche Eigenschaften zielgerichtet beeinflussen und für bestimmte Anwendungen optimieren“, betont er. Die jeweilige Funktion der Stoffe sei dabei immer mit der chemischen Zusammensetzung und/oder mit der Struktur des Materials verknüpft. Eine wichtige Funktion in modernen, nachhaltigen Energie- und Mobilit?tskonzepten haben insbesondere auch por?se Nanomaterialen: In diesen Stoffen, also Materialien mit regelm??igen Hohlr?umen und Kan?len von wenigen Nanometern Durchmesser, wie Metalloxide, Kohlenstoff oder Gerüstverbindungen, lassen sich Atome oder Moleküle einlagern und transportieren. Dadurch besitzen sie vielversprechende Eigenschaften für verschiedene Anwendungsfelder.
Moderne Energie- und Mobilit?tskonzepte durch nanopor?se Materialien
In der Arbeitsgruppe entwickeln die Chemiker*innen solche nanopor?sen Materialien, um sie u. a. als Elektroden in Batterien zu verwenden, beispielsweise in Lithium-Ionen-Batterien, die heute in zahlreichen Produkten wie Smartphones, Laptops oder Elektroautos vorkommen. Tiemann erkl?rt: ?In einer solchen Batterie werden die Lithium-Ionen beim Laden bzw. Entladen in den Nanoporen des Elektrodenmaterials ein- bzw. ausgelagert, wobei die Elektrode elektrisch leitend ist. Wir stellen neue Elektrodenmaterialien durch chemische Synthese her, bauen sie in Batterien ein und testen diese dann.“ Langfristiges Ziel der Wissenschaftler*innen ist es, noch leistungsst?rkere Batterien zu entwickeln und alternative Batterie-Konzepte zu verwirklichen – etwa durch den Verzicht auf knappe Ressourcen wie Cobalt oder das Lithium selbst.
Au?erdem wollen die Wissenschaftler*innen verbesserte Membranen mit robusten Eigenschaften für die n?chste Generation von Brennstoffzellen entwickeln. Ihr Plan: Durch h?here Wirkungsgrade sollen etwa Wasserstoff-Autos mit einer Tankfüllung weitere Entfernungen zurücklegen k?nnen. Tiemann: ?Daher forschen wir auch an nanopor?sen Materialien für die Verwendung in Wasserstoff-Brennstoffzellen. Solche Zellen versorgen beispielsweise in den Wasserstoff-Autos den Elektromotor mit Strom. Anstelle von Kraftstoffen aus fossilen Quellen tankt man Wasserstoff und aus dem Auspuff kommt lediglich Wasserdampf.“ Der Chemiker schildert den Vorgang: Das Herzstück einer solchen Brennstoffzelle ist die ionenleitende Membran, die die beiden Elektroden – die Anode, wo der Wasserstoff oxidiert wird und die Kathode, an der die Reduktion von Luft-Sauerstoff erfolgt – trennt. Durch die Nanoporen dieser Membran müssen Ionen – meist Protonen, also Wasserstoff-Ionen – hindurchwandern k?nnen, ohne dass das Material zugleich elektrisch leitend sein darf. ?Wir stellen solche ionenleitenden Materialien her und untersuchen deren Leitf?higkeit. Diese sehr spezielle Funktion stellt eine besondere Herausforderung für die chemische Synthese dar“, so Tiemann.
Chemische Gas-Sensoren zur ?berwachung von Emissionen
Auch bei der ?berwachung von Emissionen bieten nanostrukturierte Materialien besondere Vorteile. Daher forschen die Chemiker*innen au?erdem an nanopor?sen Metalloxiden, die sich aufgrund ihrer Empfindlichkeit als Gas-Sensoren einsetzen lassen. Dabei handelt es sich meistens um halbleitende Materialien, die ihre elektrische Leitf?higkeit ?ndern, wenn Gas-Moleküle mit ihnen in Berührung kommen. Diese ?nderung der Leitf?higkeit l?sst sich messen, sodass selbst kleinste Konzentrationen eines bestimmten Gases ermittelt werden k?nnen. ?Die Konzentrationen k?nnen im sogenannten ppm-Bereich (parts per million), oder sogar noch darunter liegen. Das bedeutet, dass nur ein einziges Molekül des gesuchten Gases unter einer Million anderer Moleküle in der Luft zu finden ist,“ erkl?rt Tiemann. Auf diese Weise will die Arbeitsgruppe den ressourcenschonenden und effizienten Energieverbrauch weiter optimieren.
Jennifer Strube, Stabsstelle Presse, Kommunikation und Marketing
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Die Universit?t Paderborn beteiligt sich mit verschiedenen Aktionen an der ?Europ?ischen Nachhaltigkeitswoche“. Erfahren 365足彩投注_365体育投注@ mehr unter go.upb.de/enw2020 und #UPB4ausDenken.
