Anwendungen der Nano-Wissenschaft in der Energietechnik
Werbung
Anwendung der Nanowissenschaft in der Energietechnik J.Uhlenbusch Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf 1. 50 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 1. 50 Jahre Nanotechnologie Cicero „Alles kommt aus kleinen Dingen“ Richard Feynman (1918-1988) 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?“ 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 2. Methoden zur Untersuchung von Nanostrukturen Definition: Nanowissenschaft befasst sich mit der Untersuchung, 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 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 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 2. Methoden zur Untersuchung von Nanostrukturen d) „Abtastverfahren“ Raster-Kraft-Mikroskop (AFM) 3. Verfahren zur Herstellung und Eigenschaften von Nano-Strukturen Ultrapräzise Oberflächenbearbeitung nach [ 1 ] Top-Down-Strategie, 3. Verfahren zur Herstellung und Eigenschaften von Nano-Strukturen Kugelmühle Top-Down-Strategie Leistungsfähigkeit von Kugelmühlen 3. Verfahren zur Herstellung und Eigenschaften von Nano-Strukturen Elektronenstrahl-Lithographie (ähnlich Laser- Lithographie) Top-Down-Strategie ,nach [ 1 ] 3. Verfahren zur Herstellung und Eigenschaften von Nano-Strukturen , nach [ 1 ] 3. Verfahren zur Herstellung und Eigenschaften von Nano-Strukturen Weitere Bottom-Up-Strategien • Molekularstrahl-Epitaxie (MBE) erlaubt Herstellung dünner und dicker Schichten im nm-Bereich großflächiges Aufsprayen von Atomen möglich • • Laser-Ablationsverfahren (PLD) Nanomontage durch „Jump-to-contact“ nach [2] • Dip-Pen-Lithographie nach [2] 3. Verfahren zur Herstellung und Eigenschaften von Nano-Strukturen • Herstellung und Nachweis von Fullerenen Signal am Massenspektrometer • Erzeugung von Nanopulver in HF-Entladungen • (Plasmaunterstützte) GasphasenKondensation 3. Verfahren zur Herstellung und Eigenschaften von Nano-Strukturen Simulationsrechnung zum Temperaturverhalten vonFullerene C60 und Nanoröhre mit eingeschlossenem C60 plus Na-Ion, nach [3] Fulleren (C 60 ) Nanoröhre C60 besteht aus 12 Fünf- und 20 Sechsecken -hohe Temperaturbeständigkeit -hohe mechanische Festigkeit 3. Verfahren zur Herstellung und Eigenschaften von Nano-Strukturen Elektrisches Verhalten von Kohlenstoffnanoröhren, nach [4] metallisch Halbmetallisch Halbleiter 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), Quantenschacht (2d), Quantendraht (1d) -enthalten 100-1000 Elektronen, Löcher , Elektron-Loch -Paare (sog. Exzitonen),1000-100000 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 3. Verfahren zur Herstellung und Eigenschaften von Nano-Strukturen • Physikalischer Hintergrund, nach [5], Forts., -quantisierte, diskrete Energieniveaus der heißen Elektronen 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 Überschussenergie auf Löcher und dann effektiv auf Phononen unerwünscht, lässt sich durch Positionierung der Löcher auf Oberfläche der Quantenpunkte verhindern, Fall c) 3. Verfahren zur Herstellung und Eigenschaften von Nano-Strukturen • Physikalischer Hintergrund, Forts. 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 H2O in H2 und O2 mit Sonnenlicht 2.Katalytische Vorgänge zur Effizienzsteigerung energieaufwändiger chemischer Prozesse 3.Solarzellen mit 20% Effizienz bei Reduktion der Erstellungskosten um den Faktor 100 5.Leichte Materialien hoher Festigkeit für Auto, Flugzeug,.. 6.Reversible Speicherung von H2 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-EnergieWissenschaft 6.Skalierbare Methoden zur Synthese von Nanomaterialien 5.Spannungsabfälle an Grenzflächen Prozesse mit Elektronen • An Grenzflächen entstehen elektrische Spannungsabfälle, z. B. an Grenzfläche Metall-Vakuum E Pot Energiezufuhr x Metall + Ea Leitungsband Oberkante - x Vakuum -efb(x) - -E -Eaa z Leitungsband Unterkante -(z+Ea) Ea=Austrittsarbeit, z=Fermienergie Fb(x)= - 1/(4pe0)e/(2 x) fb (x)=e/(16pe0x) • Freisetzungsmechanismen für Elektronen a) thermische Emission, Stöße b) Feldeffekt, auch bei T=0 Freisetzung möglich c) Strahlungsfeld (äußerer Photoeffekt) 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= a (TH -TK)= a D T, a heißt Seebeck-Konstante Heiß TH + n- Leiter e- - e- e- p-Leiter H+ H+ H+ + Kalt TK Serienschaltung von n- und p- Leiter erzeugt Spannungsabfall V, beachte Stromrichtung Heiss TH i+ n- Leiter ee- e- Kalt TK p-Leiter i+ H+ H+ H+ Kalt TK V z*T=a2*s/k= Gütefaktor, hohes z*T angestrebt, da dann hoher Wirkungsgrad 5.Spannungsabfälle an Grenzflächen • Beispiel: Thermoelektrischer Generator Gütefaktor z*T Gütefaktor z*T In 50 Jahren konventioneller Forschung: z*T=a2s/k nur von 0.6 auf 1 gesteigert, h=14 %, nach [7] Temperatur (°C) Temperatur (°C) p-Leiter n-Leiter Gegensätzliche Forderungen an Material: großes a Material mit niedriger Trägerdichte großes s Material mit hoher Trägerdichte Weitere Forderungen an Material: Hohes Gap, nur reine p-oder n-Leiter niedrige Wärmeleitung k 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 5.Spannungsabfälle an Grenzflächen • Beispiel:Thermoelektrischer Generator Fortschritt durch Nanowissenschaft! nach [4] Ziel: Wirkungsgrad h=30 % des Carnot-Wertes Verfahren: Nanostrukturierung des Halbleiters als „Quantenpunkt“ (siehe Folie 16-18): erhöht a und s Nanostrukturierung des Halbleiters << freie Weglänge der Phononen: Reduktion von k ohne Reduktion von a und s : z*T groß Ergebnis: z*T>3 beobachtet, h= 30 % des Carnot-Wertes erzielt 5.Spannungsabfällen an Grenzflächen • Beispiel:Peltier-Effekt Umkehreffekt: Stromfluss erzeugt Temperaturdifferenz Strom 1 2 2 1 I II • Giant electrocaloric effect an Pb-Zr -Ti-Oxid Abkühlung um 12 Grad bei 25 V (z. Z bei 230°C!) • Micropelt (Infineon) Anwendung: elektrische Energie aus Körperwärme für „intelligente Kleidung“ 3 mm 3 mm 5.Spannungsabfälle an Grenzflächen •Beispiel: Photovoltaik Grundlagen • Nur Photonen mit Emin<h*n<Emax werden absorbiert und erzeugen Elektron-Loch-Paar, bei Si erfüllen nur 30% der Solarphotonen diese Bedingung Wirkungsgrad klein 5.Spannungsabfälle an Grenzflächen Beispiel:Photovoltaik Prinzip. Aufbau einer Solarzelle • -durch Verwendung gestapelter unterschiedlich dotierter pund n-leitender Halbleiter lässt sich Absorptionsverhalten verbessern (Stapel aus InGaN mit unterschiedlichem Verhältnis In zu Ga deckt Sonnenspektrum ab), nach [8] 5.Spannungsabfälle an Grenzflächen • Beispiel: Photovoltaik Fortschritte durch Nanotechnik,nach [5,9],siehe Folie 17 -a) Aufbau der Solarzelle als geordnete 3dAnordnung von Quantenpunkten, die elektronisch gekoppelt sind -Reduzierung der schnellen Abkühlung der Elektronen bzw. Erhöhung der Elektronendichte durch Stoßionisation erhöht Photospannung bzw. –Strom -b) Kombination von Quantenpunkten (InP) mit nanokristallinen Halbleitern (TiO2) -Solarphotonen regen Quantenpunkte an, die sehr effektiv Elektronen in Leitungsband des TiO2 injizieren -statt der Quantenpunkte werden in der Graetzel-Zelle auf TiO2 chemisorbierte Farbstoffe aufgebracht, die ebenfalls Elektronen injizieren -c) Kombination von Quantenpunkten mit organischen Halbleiterpolymeren 5.Spannungsabfälle an Grenzflächen • Beispiel: Photovoltaik Zeitliche Entwicklung erzielter Wirkungsgrade von Photozellen im Vergleich, nach [4] 5.Spannungsabfälle an Grenzflächen Prozesse mit Ionen • Beispiel: Galvanische Elemente Ionen gehen vom Metall in die Lösung (Elektrolyt) + Metall Lösung + + Ionen-Konzentration cM Ionen-Konzentration cL + UDS UDS = -k T/e ln(cL/cM) Elektrode 1 Elektrolyt1 Spannungsabfall UGE UGE=UDS1-UDS2 Trenn- Wand Metall 2 Elektrolyten Metall 1 • Doppelschicht i in zwei Zwei unterschiedliche Metalle Elektrode 2 Elektrolyt2 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, O2, Cl2 Anforderung an Elektroden: Schwerlöslich : cL/cM und damit UGEkonstant Umweltfreundlich: Kein Hg, Pb ,Cd,… Beispiele: Zn-Braunstein- Batterie: Kathode :Zn, Elektrolyt: NH4ClLösung, Anode: MnO2 (Braunstein) +Kohleelektrode Bleiakkumulator: Kathode: Pb, Elektrolyt: H2SO4 (36%, im geladenen Zustand) Anode: PbO2 Lithiumionen-Batterie: Kathode: LiCx (Interkalationsverbindungen), Elektrolyt: z. B. Li-Salz gelöst in Ethylenoder Propylencarbonat, Anode: MnO2, CoO2 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 10-50 nm Elektrolyt: Dünnschichtlage (elektrolytisch) aus Polymer Poren: Füllung mit Kolloiden Innovationen: nach [9] a)Trennung ElektrolytElektroden durch „Nanogras“ Superhydrophobie reduziert Zerstörung der Elektroden Zwischenräume füllen sich bei Stromfluss Cub) 3d-nanoporöse Elektroden Schaum Elektrochemische Abscheidung von Cu bzw. Sn auf Cu erzeugt H2-Blasen SnEntstehung trichterförmiger Schaum Poren Form der Poren erleichtert Ionentransport, nach [10] 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,H2 -Erzeugung Umwandlung erfolgt über aktivierten Komplex ABC Übergang erfordert Überwindung der Aktivierungsenergie EA Reaktionsrate hängt von EA auf günstigstem Reaktionsweg und Aktivierung von ABC im Sattelpunkt ab Katalysatoren bauen Aktivierungsschwelle ab und erhöhen damit Reaktionsraten RAB BC = nAB*nC*<s*v>AB BC ~ nAB*nC*gABC*KAB,C*T*exp(-DG/kT) Hinrate RBC AB = nBC*nA*<s*v>BC AB ~ nBC*nA*gBC*KBC,A*T*exp(-DG‘/kT) Rückrate dnAB/dt=RAB BC-RBC AB Bilanz gABC = statistisches Gewicht K= sterische Faktoren Durch Nanostrukturierung Beeinflussung von g und K und damit der Bildungs-und Vernichtungsfrequenzen möglich 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. TiO2: Bandlücke ≈3eV, sammelt nur UV-Anteil kleines h - Katalytische Zersetzung des H2O an TiO2 liefert H2 und O2 Dagegen natürliche Photosynthese: -100 % der Solarphotonen absorbiert durch Chlorophyll - Transfer der Energie in Proteine, die H2O und CO2 in O2 und Kohlenwasserstoffe umwandeln Verbesserungs-Maßnahme I: -a)Dotierung der Halbleiter red. Lücke auf 1.7 eV, h=12% -b) Absorption an Quantenpunkt führt zur Energiespeicherung und erzeugt mehr als ein Photo-Elektron durch Stoßionisation (inverser Auger-Effekt), siehe Folien 16-18, erhöht h -c) Farbstoffe sammeln Energie niederenergetischer Photonen und transferieren höherenergetische Elektronen, erhöht h 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 (WO3) verbunden -Am Pt entsteht H2, am WO3 räumlich getrennt O2, h=? Vorteil: Nutzung des gesamten Spektrums des Sonnenlichts, h>10% benchmark! -Porphyrine (Porphine) sind mit Chlorophyll verwandt 7. Nanoporöse Materialien • Definition nanoporöser Materialien: -Porenradius< 50 nm, gleichmäßige Porengröße -Porenvolumen/Totalvolumen 0.2-0.95 -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 Al2O3-Membran - Poren in dicken Schichten Au- Ag –Legierung nach Entfernung des Ag 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 Festkörperoberfläche 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 SiO2 - Dünnschichtfilm mit periodischer Struktur. Bildung von festem SiO2 mit poröser, periodischer Struktur • Herstellung nanoporöser, dicker Schichten -Aerogele produzieren gleichmäßige Poren von~5nm (geringe Festigkeit, hohe Sprödigkeit, Hydrophilie) -Langsame Kristallisierung eines Al2O3- Gemischs bei Anwesenheit alkalischer und organischer Stoffe -Chemische Aktivierung von C mit dehydrierenden Substanzen (ZnCl2) bei 1000K -Aktivierung von C mit SiO2-Nanoteilchen, gleichmäßige Poren von ~10 nm -Mischung Polymere-Keramik nach Erhitzen nanoporös durch Selbstorganisation 7. Nanoporöse Materialien Anwendung :Wasserstoffspeicher für Automobile • Technische Vorgaben -Motorleistung PM=50 kW, 3 -Tank: Volumen VT= 0.1 m -Masse MT= 100 kg -Reichweite 500 km in t=5 h • Abschätzung der benötigten Wasserstoffmenge -Benötigte Energie: W= PM*t= 250kWh=0.9 106 kJ -Bildungsenthalpie H2O(fl):HBild=0.286 10 6 kJ/kMol -1kMol H2 2 kg -Masse H2: MH=2*W/HBild=6.3 kg -Volumendichte H2 im Tank: rT = MH/VT=63kg/m 3 -Gewicht H2/ Gewicht Speicher =MH/MT=0.065 • Eigenschaften Speicher -Massendichte : rM = MT/VT=1000 kg/m3 -Clustervolumen VC=4/3pR 3 -Clusteroberfläche OC=4pR 2 -Belegungsdichte H: CH=10 20m-2 -Zahl der Cluster NC, Gesamtvolumen VG=NC*VC -VT=x*VG, x1 -MH/MT=0.065= CH*NC*OC*mH/(x*NC*VC*rM) =3*CH*mH/(rM*x*R) -R=3*CH*mH/(rM*x*0.065)= 8 nm x=1 gesetzt 7. Nanoporöse Materialien • Warum H2 oder einfache H2 Verbindungen? -hohe katalytische Reaktionsraten in Brennstoff zellen -Herstellung aus H2O und Kohlenwasserstoffen -Verbrennungsprodukt H2O, umweltfreundlich -hohe Energiedichte bei Speicherung • Benchmark (DOE) 3 -6.5 Gew. % H2, 63 Kg/m, Beladungszeit<5 min • Konventionelle Lösungen -Kompression von H2 auf 700 bar (Problem:Versprödung) -Verflüssigung von H2 (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] C-Nano 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 H2 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 2NH3 3H2 + N2 • c) Speicherung in Alanaten, nach [13]: Anion [Al H4] - ,[Al H6] 3-, Kation Na+ -reines nanokristallines Na-Alanat: Schmelztemp.TS= 456K, 7.6 Gew.%, Abgabe bei 513K -kugelgemahlenes Nanomaterial: Abgabe bei T<TS -Neue Alanate: Mg[AlH4]2: 9.3 Gew.%, Dotierung mit Titanverbindung reduziert tads und tdes Titan erzeugt Chemisorptionsstellen Ti/Al-Defektstellen beeinflussen Kinetik 7. Nanoporöse Materialien Desorptionsverhalten von Alanaten Struktur von Alanaten Al Mg H Ch ec kB ox • 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 8. Ausblick Was bleibt vordringlich zu tun in den Nanowissenschaften? •Verbesserung der Herstellungsverfahren -preiswerte Herstellung größerer Stoffmengen -reprod. Realisierung erwünschter Funktionalität -Ausweitung der selbst organisierten Montage -Anwendung biologischer Prozessabläufe •Neuartige diagnostische Verfahren zur Untersuchung 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 Carl Hilty „Achte auf das Kleine in der Welt, das macht das Leben reicher und zufriedener“ 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] www.pa.msu.edu [4] DOE-Report „Nanoscience Research for Energy Needs“, 2.ed.,June2005,siehe auch www.er.doe.gov/bes/reports/files/NREN_rpt.pdf [5] http://www.nrel.gov/ncpv_prm/pdfs/33586053.pdf [6]http://ctd.grc.nasa.gov/organization/branches/eodb/carbonnanotube .html [7]http://www.its.caltech.edu/~jsnyder/thermoelectrics/science_page.ht m [8] http://www.lbl.gov/Science-Articles/Archive/MSD-perfect-solarcell.html [9]http://www.delftoutlook.tudelft.nl/info/index21fd.html?hoofdstuk=Arti cle&ArtID=2243 [10] ] http://gtresearchnews.gatech.edu/newsrelease/nanoporous.htm [11] http://nanotech.wordpress.com/2005/03/18/tiny-porphyrin-tubesmay-lead-to-new-nanodevices/ und http://web.mit.edu/newsoffice/2006/batt-side.html [12] Nanoporous Materials, Science and Engineering, G.Q.Lu,X.S.Zhao edts., Imperial College Press,2004 [13] Nachrichten-Forschungszentrum Karlsruhe, Jahrg. 37 1-2/2005 S. 52 -58 [14] Hydrogen Storage with Novel Nanomaterials,361. Wilhelm und Else Heraeus-Seminar, 23.-27.10.2005, Bad Honnef, Germany
