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Institute of Physical Chemistry

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Forschung

 

Die Physikalische Festkörperchemie verbindet Festkörperphysik und Festkörperchemie. Während in der Festkörperphysik die elektronischen Eigenschaften von Festkörpern und deren Nutzung im Vordergrund stehen, dreht sich die Festkörperchemie vor allem um die Synthese und die strukturelle Charakterisierung von Festkörpern.

Das Ziel der Physikalischen Festkörperchemie ist das Verständnis chemischer Reaktionen in und von Festkörpern – der Reaktivität von Festkörpern – unter Zuhilfenahme von physikalischen Methoden und Konzepten (Quantentheorie, Spektroskopie, Festkörperphysik, etc.). Zu den wichtigsten Problemen und Gebieten der Physikalischen Festkörperchemie gehören heute:

  • Korrosion
  • Heterogene Katalyse und Oberflächenchemie
  • Energiespeicherung/-wandlung (Brennstoffzellen, Batterien)
  • Chemische Sensoren
  • Transportphänomene (Diffusion, Migration, Permeation, …)
  • Größeneffekte (nanoskalige Systeme)
  • Degradation funktioneller Materialien
  • ...

Ein Schlüsselphänomen in vielen Problemen und eine notwendige Bedingung für die chemische Reaktivität von Festkörpern ist die atomare Mobilität – in anderen Worten Diffusion. Das Verständnis der atomaren Mobilität – sowohl auf der atomaren (Dynamik) als auch auf der makroskopischen Skala (Transport) - ist eine wichtige Voraussetzung für die Entwicklung vieler Zukunftstechnologien und bildet ein wichtiges Element fast aller Projekte der AG Janek


Die Arbeiten in der AG Janek bewegen sich auf dem Gebiet der Physikalischen Chemie fester Stoffe, mit einem besonderen Interesse an Materialien für elektrochemische Energietechnologien und deren Reaktionen bzw. Langzeitstabilität. Aufgrund der stetig wachsenden Bedeutung elektrochemischer Formen der Energiewandlung und -speicherung hat sich dieser Bereich in den letzten Jahren stark verbreitert und führt zunehmend zu anwendungsnahen Projekten (z. B. Projekt mit BASF AG oder Lithium-Verbund mit Degussa AG). Wir untersuchen vornehmlich anorganische Funktionsmaterialien, wobei neben der gezielten Präparation mit physikalisch-chemischen Methoden die Materialoptimierung, die Untersuchung der Funktionsmechanismen, besonders aber auch der Langzeitstabilität im Vordergrund stehen. Angesichts der notwendigen langen Betriebszeiten moderner Energiewandler/-speicher nimmt die Bedeutung der Untersuchung von Materialstabilität und -degradation unter Betriebsbedingungen rasch zu – speziell im Fall nanostrukturierter Materialien. Seit kurzer Zeit werden mit Blick auf Hochleistungsbatterien und neue Verfahren zur Abscheidung von Nanopartikeln auch organische Materialien in Form ionischer Flüssigkeiten untersucht.

Letztlich drehen sich alle Projekte um die Frage des Wechselspiels von atomarer oder  ionischer Bewegung in anoganischen (nicht-metallischen) Festkörpern mit externen Triebkräften – wie chemischen oder elektrischen Potentialgradienten, Temperaturgradienten oder magnetischen Feldern. Ein typisches Ziel ist die kontrollierte Anwendung elektrischer Felder für die Manipulation oder Modifikation ionen- und elektronenleitender Festkörper. Materialien oder Stoffe, die von uns untersucht werden, sind typische ionenleitende oder gemischtleitende Oxide, Oxidnitride, Chalkogenide und Halogenide.

 

Arbeitsgebiet "Materialien für Energie-/Sensortechnologien"

Die Untersuchung nichtstöchiometrischer und meist gemischt ionen- und elektronenleitender Festkörper ist ein langjähriger Schwerpunkt unserer Arbeiten. Der Ladungs- und Massetransport unter verschiedenen Bedingungen (elektrische Felder, chemische Potentialgradienten, Temperaturgradienten, Magnetfelder), der Einfluss von Gleichgewichts- und Nichtgleichgewichtsdefekten (Korngrenzen, nanodisperse Materialien), Festkörperreaktionen und deren Kontrolle sind Beispiele für spezielle Themen. Als Stoffe stehen die relativ stabilen Halogenide, Chalkogenide (inkl. Oxide) und Nitride von Übergangsmetallen im Mittelpunkt - von binären bis hin zu komplexen multinären Phasen.
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Arbeitsgebiet "Elektrodenkinetik von festen Ionenleitern"

Die Elektrodenkinetik fester Elektrolyte spielt bei nahezu allen technischen Anwendungen eine ganz wesentliche Rolle. Dennoch ist sie bisher nur sehr unzureichend untersucht und verstanden. Aus diesem Grund untersuchen wir zwei typische Modellfälle: Die Metallauflösung und -bildung auf kationenleitenden Festelektrolyten, sowie Gaselektroden auf Sauerstoffionenleitern. Hinzu kommen spezielle Fragen der elektrochemischen Reaktivität von eher unkonventionellen Stoffen. Als Methoden wenden wir neben den klassischen elektrochemischen Verfahren vor allem mikroskopische und mikrospektroskopische Verfahren an.
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Arbeitsgebiet "Elektrochemische Oberflächenkontrolle"

Im Mittelpunkt dieses Arbeitsschwerpunkts steht der Einfluss elektrischer Potentiale auf Oberflächeneigenschaften. Derzeit werden vorrangig Projekte im Bereich der heterogenen Katalyse bearbeitet, weitergehende Projekte sind in Vorbereitung.
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Arbeitsgebiet "Plasma-Elektrochemie"

Die Kombination von Plasmachemie und Elektrochemie ist das langfristige Ziel einer Reihe von Projekten in Zusammenarbeit mit Plasmaphysikern. Im Mittelpunkt steht die Aufklärung der Reaktionen an den Grenzflächen zwischen "gasförmigen Leitern" und festen oder flüssigen Ionenleitern.
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Arbeitsgebiet "Bioanalytik mittels TOF-SIMS"

Die Flugzeit-Sekundärionenmassenspektrometrie (ToF-SIMS) ist eine klassische materialwissenschaftliche Methode mit der eine Vielzahl von in der AG vorhandenen Proben untersucht werden. Sie bietet aber auch die Möglichkeit von biologischen Proben lateral hochaufgelöst chemische Informationen zu erhalten. Im Rahmen des Sonderforschungsbereiches TRR79 wollen wir mit Hilfe der SIMS verschiedene mechanistische Fragestellungen rund um das Einwachsverhalten neuer Osteoporoseimplantate beantworten. Im Fokus stehen die Untersuchung von Knochenquerschnitten und die Zell-Imlantat Wechselwirkung.
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Geräte und Untersuchungsmethoden

Auf dieser Seite sind spezielle Laboratorien und experimentelle Methoden der AG Janek aufgeführt. Informationen über eine mögliche Nutzung der Geräte/Methoden durch andere Arbeitsgruppen geben die jeweils aufgeführten Betreuer/innen.
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Wissenschaftliche Kooperationen

Mitarbeiter/innen der AG Janek sind in eine Reihe von nationalen und internationalen Kooperationen eingebunden. Die wichtigsten Partner sind hier aufgeführt.
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