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Graduiertenkolleg 2204 - Forschung

Die Zunahme der Weltbevölkerung und der damit verbundene steigende Energiebedarf erfordern neue Strategien, um Energieversorgung und Wohlstand nachhaltig gewährleisten zu können. Die Entwicklung in Deutschland wird maßgeblich durch den Verzicht auf Nuklearenergie und durch das Bekenntnis zu regenerativer Energietechnologie („Energiewende“) geprägt. Die Wahl und Entwicklung geeigneter Funktionsmaterialien in den Bereichen der Hochtechnologie, wie etwa Consumer-Elektronik, Energieversorgung und Elektromobilität, wird dabei einen immer höheren Stellenwert einnehmen und steht im Fokus des GRKs.
Schon einfache Abschätzungen beispielsweise für die Photovoltaik und Thermoelektrik zeigen, dass die Nutzung dieser Technologien im benötigten und geforderten Maßstab von Tera-Watt elektrischer Leistung aufgrund knapper Materialressourcen oder zu hoher Material- und Herstellungskosten stark limitiert ist. Die Überwindung dieser Herausforderung setzt die Entwicklung so genannter Substitutionsmaterialien auf Basis gut zugänglicher chemischer Elemente („elements of hope“) und die generelle Reduktion des Materialbedarfs für eine bestimmte Technologie voraus.

Das Forschungsprogramm wendet diese Strategien auf die Wandlung, die Speicherung und den Transport von Energie an:
In der Thermoelektrik, die sich mit der Umwandlung von Wärme in elektrische Energie beschäftigt, müssen für eine großtechnische Nutzung seltene Elemente wie Tellur und Germanium substituiert werden. Hierfür kommen Silizide (Mg
2Si) sowie Oxide/Sulfide (Zn(O,S), Cux(O,S), TiS2) in Frage. Im Hinblick auf die massenhafte Erzeugung des sauberen Energieträgers Wasserstoff (H2) durch Sonnenlicht werden neue Materialien für Solarzellen und Photoelektroden entwickelt. Dabei wird zum einen auf alternative chemische Verbindungen gesetzt, andererseits aber auch eine maßgeschneiderte Nanostrukturierung vorhandener Materialien erforscht, die einen sparsamen Stoffeinsatz bei gleicher Leistung ermöglichen kann. Für die in Zeiten volatiler Energieträger und wachsender Elektromobilität an Bedeutung gewinnende elektrische Energiespeicherung werden ressourcenschonende Batteriekonzepte wie Metall-Luft- und Alkalimetall-Schwefel-Akkumulatoren entwickelt. Spezielle Kohlenstoff-Modifikationen wie Diamantoide und Graphen werden für ihre Anwendung in zukünftigen Elektronik-Bauelementen optimiert. Für den energetisch hoch relevanten Gebäudesektor werden thermochrome und elektrochrome Materialien entwickelt, die in Form „intelligenter Fenster“ die Klimatisierung von Innenräumen revolutionieren könnten.
Alle Phasen - vom Materialdesign über die Synthese und Charakterisierung bis zur Erprobung einfacher Bauelemente - erfordern ein enges Zusammenspiel zwischen Chemie und Physik.

Die Promotion wird begleitet von Veranstaltungen in den Bereichen Umweltmanagement, Recyclingstrategien und Wissenschaftsvermittlung.
Um die Arbeitsmarktperspektiven der Absolventen weiter zu verbessern, werden gezielt Soft Skills (Teamfähigkeit, Präsentationstechniken, wissenschaftliches Schreiben, Patentrecht, Fremdsprachenkenntnisse, Projektmanagement, etc.) vermittelt, wie sie von Unternehmen und auch im akademischen Sektor zunehmend erwartet werden.

 

Forschungsbereiche und Projekte des GRKs

 

A - Energieeffiziente Technologien

A1

Nachhaltige Materialkonzepte für Thermoelektrik

Heiliger, Janek, Klar, Müller

A2

Thermo- und elektrochrome Materialien

Gross, Heiliger, Klar, Polity, Schlettwein, Smarsly

A3 Alternative elektrochrome Materialien basierend auf molekularer Plasmonik Chatterjee, Mollenhauer, Schlettwein, Schreiner

 

B - Batterien

B1

Alkali-Metall-Batterien

Janek, Mollenhauer, Smarsly

B2

Redoxfluss-Batterien

Janek, Mollenhauer, Schlettwein, Schirmeisen, Wegner

B3 Kathoden-Materialien Chatterjee, Heiliger, Janek, Klar, Polity

 

C - Kohlenstoff-basierte Technologien

C1

Hochgeordnete nicht-graphitische Kohlenstoffe und Graphen-basierte Materialien

Chatterjee, Gatti, Janek, Klar, Smarsly

C2

Kohlenwasserstoff-Metallkomplexe für optoelektronische Anwendungen

Chatterjee, Schirmeisen, Schlettwein, Schreiner

C3 Graphen-Nanoribbons Mollenhauer, Schirmeisen, Wegner