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.