MATERIALIEN FÜR DIE ENERGIETECHNIK
Die Forschergruppe „Materialien für die Energietechnik“ entwickelt innovative Materiallösungen für die nachhaltige Energiewende - mit dem Fokus auf Wasserstoff- und Ammoniaktechnologien sowie neuartigen Batterien. Im Zentrum steht dabei die Entwicklung von skalierbaren Atmosphären- und Niederdruck-Plasmaprozessen zur Herstellung von Nanopartikeln und Dünnschichten, die über attraktive Eigenschaften für den zukünftigen Einsatz als leistungsstarke Elektroden, Membranen, redoxaktive Materialien (Katalysatoren) oder als Barriere- und Korrosionsschutz verfügen. Wir kombinieren wissenschaftliche Grundlagenforschung mit anwendungsorientierter Prozessentwicklung sowie einem umfangreichen analytischen Portfolio für die Charakterisierung von Struktureigenschaften und Funktionalität der Nanomaterialien.
Die neuen Materialien und Herstellungsprozesse werden zur Überwindung von technologischen und wirtschaftlichen Herausforderungen in folgenden Anwendungsbereichen in enger Zusammenarbeit mit den Partnern des CAMPFIRE Bündnisses (www.wir-campfire.de), des TransHyDE Leitvorhabens (https://www.wasserstoff-leitprojekte.de/leitprojekte/transhyde) sowie des EU-Vorhabens HiPowAR (https://www.hipowar.eu/home) entwickelt:
- Elektrolyseure (SOEC, Alkalische Elektrolyse)
- dezentrale Syntheseprozesse für Ammoniak
- Brennstoffzellen (SOFC, HT-PEMFC)
- Abgaskatalysatoren
- Lithium- und Natriumionenbatterie sowie Festkörperbatterie
- Festkörperspeicher für Wasserstoff und Ammoniak
- Korrosionsschutzschichten für Reaktoren, Armaturen und Systemkomponenten für Power-to-Ammonia und Ammonia-to-Power
Ein neues strategisches Thema der Forschergruppe sind Solare Materialien, das derzeitig als ausgewiesener Schwerpunkt im Rahmen einer Themenleitung aufgebaut wird.
Unser interdisziplinäres Team umfasst wissenschaftliches Personal aus den Fachbereichen Chemie und Physik mit dem Fokus auf Festkörpern und anorganischen Materialien, den Umweltwissenschaften sowie ingenieurswissenschaftliche Kompetenzen.
Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten der Gruppe werden derzeitig im Rahmen durch BMFTR, BMWK, IGF, DFG und Horizon 2020 FETProActive geförderte laufende Projekte durchgeführt:
- HiPowAR - Highly efficient Power Production by green Ammonia total Oxidation in a Membrane Reactor
Horizon 2020 FETProActive, FKZ: Grant Agreement No. 951880, Laufzeit: 09/2020 bis 12/2025, 666 k€ - CF06_3.4 - Entwicklung von KAAP Katalysatoren
BMFTR TransHyDE, CAMPFIRE Umsetzungsprojekt, FKZ: 03HY209B, Laufzeit: 04/2021-12/2025, 500 k€ - VOXCoat - Neuartiger Herstellungsprozess für Kobalt-freie Vanadiumoxidbasierte Kathoden für die Natriumionen-Batterie zur Netzunabhängigen Speicherung von regenerativ erzeugter Energie
BMWK IGF, FKZ: IGF-22544BG, Laufzeit: 10/2022 – 09/2025, 241 k€ - Magneli SAFC - Entwicklung einer Festsäurebrennstoffzelle mit Magneli-geträgerter, oxidationsresistenter Kathode für kombinierte Ammoniak- und Methanol-Reformer-Brennstoffzellen-Systeme
BMWK IGF, FKZ: 01/F22618N, Laufzeit: 09/2022 – 08/2025, 248 k€ - CF04_2.3 - Skalierung der Dünnschichtverfahren und Komponenten für die Solid State Ammoia Synthese (SSAS)
BMFTR WIR! CAMPFIRE, FKZ: 03WIR2316A, Laufzeit: 09/2023 – 08/2025, 315 k€ - CF06_6. 4 - Integration des Hybrid-Haber-Bosch-Reaktors in eine Funktionsmusteranlage zur dezentralen Ammoniak-Erzeugung
BMFTR WIR! CAMPFIRE, FKZ: 03WIR2315C, Laufzeit: 01/2024-12/2025, 250 k€ - CF02_2.2 - Analyse, Bewertung und Markstrategie sowie Weiterentwicklung der Finanzierungsstrategie für das CAMPFIRE Bündnis
BMFTR WIR! CAMPFIRE, FKZ: 03WIR2323B, Laufzeit: 01/2025-12/2026, 169 k€ - CF04_4 - Memgrain – Kornwachstumsförderung in Bariumzirkonat-Membranen durch beheizte Sputterabscheidung und Laser-Annealing
FKZ: DFG, KR 3987/2-1, Laufzeit 10/2025–09/2028, 260 k€ - CF07_2.6 - AmmoCruiser – Entwicklung und Erprobung von schiffstauglichen Sicherheitseinrichtungen für die Module des Energieversorgungssystems für ein Cracker-Motor-Hybrid-System
BMFTR WIR! CAMPFIRE, FKZ: 03WIR2321A, Laufzeit 06/2025-12/2026, 634 k€ - CF10_6 - Ammoclay – Entwicklung von kostengünstigen und sicheren Ammoniak-Feststoff-Speichern für die Energiewende auf der Basis von Tonmineralien
BMWK IGF, FKZ: 01/F23702N, Laufzeit: 03/2025-08/2027, 250 k€
Technologische Ausstattung
Die Laborinfrastruktur der Forschungsgruppe umfasst ein breites Spektrum an Vakuum- und Atmosphärendruck-Plasmaverfahren, laserverfahren sowie nasschemischen Verfahren für die Erzeugung von Nanomaterialien sowie eine umfangreiche analytische Ausstattung für deren Charakterisierung:
- STARON Magnetronsputter-Reaktor, PT&B Silcor, Sputteranlage mit vier 4‘‘ Sputterkathoden (davon 2 RF, 2 DC) für parallele Beschichtungen mit 4 Targetmaterialien, Schleuseneingang mit inerter Sputterkammer, rotierende Probenhalterung für Planare (5x5 cm) und tubulare (bis 20 cm Länge) Proben
- MAX Magnetronsputterreaktor, Aurion: HV-Sputteranlage mit 5 4“ Sputterkathoden (3 x RF, 2x HiPIMS), 5 x höhenverstellbare, rotierbare, heizbare (800 °C) Probenhalterung (150x150mm), im Winkel einstellbare Kathoden zum konfokalen Sputtern von bis zu 5 Elementen
- L2H kombinierter CVD/Magnetronsputterreaktor mit zwei RF-Quellen für alternierende Beschichtungen/ Funktionalisierungen oder Dampfphasenabscheidungen flüssiger Präkursoren. Integrierte Schleuse zur Behandlung atmospährenempfindlicher Proben, sowie rotierender Probenteller für eine homogene Beschichtung.
- PULVA Magnetronsputtereaktor Sputteranlage mit 3 x 2“ Magnetrons, jeweils RF & DC möglich, rotierende Probenhalterung zum Einzelsputtern und alternierenden Sputtern
- Drehtrommel-CVD-Pulverreaktor mit Staubkabine: HV-Rezipient zur Funktionalisierung pulverförmiger Substrate, Drehtrommel mit integrierter RF-Antenne
- Tiberius Magnetronsputterreaktor: HV-Sputteranlage mit 400mm Rohrkathode mit zuschaltbarer Anodenschicht-Ionenquellen (ALS) zur homogenen Beschichtung von bis zu 300x300mm. Das Kathodenmaterial ist variabel und kann aus bereitgestellten Pulvern mittels APS erzeugt werden.
- 2 MPP04-B4-300-D230 Pulsmodulator für ILP von Kurita Pekuris, Frequenz: 3 - 300 kHz. Spannung: 1 - 10 kV. Impulsbreite: 150 - 1500 ns.
- MPP-HV04-SiC Pulsmodulator für ILP von Kurita Pekuris, Frequenz: 20 - 200 kHz.Spannung: 1 - 10 kV. Impulsbreite: 150 - 2000 ns.
- Reaktoren:
- Graphenator: Vertikaler Spitze zu Platte -Reaktor für Koronaentladung, W und Mo Elektrode und Mo-Platte, Quart-Reaktor, Gesamtvolumen 40 ml.
- ILPVOx R-2: Spitze zu Spitze -Konfiguration horizontal, Teflon-Reaktor, W-Elektroden mit Ar-Durchfluss durch die Elektroden, Gesamtvolumen 150 ml.
- ILPR-3 to ILPR-9: Spitze zu Spitze -Konfiguration horizontal W-Electroden, Teflon-Durchflussreaktor mit Ar-Durchfluss durch eine Keramikplatte am Boden des Reaktors, Gesamtvolumen 250 ml unter Berücksichtigung eines externen Kühlsystems.
- Strömungsreaktor-MILPR-1: Vertikale Konfiguration von Spitze zu Spitze, POM-Durchflussreaktor mit Ar-Durchfluss durch eine Keramikplatte am Boden des Reaktors (Vortex), Gesamtvolumen 130 ml unter Berücksichtigung eines externen Kühlsystems.
- Strömungsreaktor-MILPR-2: Vertikale Spitze zu Platte-Konfiguration, POM-Durchflussreaktor mit Ar-Durchfluss durch eine Keramikplatte am Boden des Reaktors (Vortex), Gesamtvolumen 130 ml unter Berücksichtigung eines externen Kühlsystems.
- US-ILP-R1: Vertikale Tip-to-Tip-Konfiguration, Teflon-Durchflussreaktor mit Ultraschallunterstützung von unten und Ar-Durchfluss durch zwei gegenüberliegende Keramikplatten, die mit W-Elektroden (2 - 4 mm Ø) am Reaktor ausgerichtet sind, Gesamtvolumen 130 ml unter Berücksichtigung eines externen Kühlsystems.
- Syncro-US-R1: Vertikale Multi-Discharge-Tip-to-Tip-Konfiguration, Teflon-Durchflussreaktor mit Ultraschallunterstützung von unten und Ar-Durchfluss durch zwei Keramikplatten, die sich gegenüberliegen und mit W-Elektroden (2 - 4 mm Ø) am Reaktor ausgerichtet sind, Gesamtvolumen 130 ml unter Berücksichtigung eines externen Kühlsystems
- SLA-Reaktor, Hans Von Der Heyde: Laser Annealing zur lokalen Wärmebehandlung der Substratoberfläche. 150mm Linienlaser (3x50mm), Wellenlänge 940nm, Leistung 3 X 3000W
- Screen-Printer EKRA E2: halbautomatischer Sieb- und Schablonendrucker für das Bedrucken einer Vielzahl flexibler und starrer Substrate bis zu einer Größe von 370 x 450 mm
- DipCoater, KSV-KN4004: robuste, computergesteuerte Tauchbeschichtungsanlage für präzise Dünnschichtabscheidung
- Spin-Coater Laurell WS-650SZ-6NPP/LITE: bis zu 6000 U/min, ermöglicht feine und gleichmäßiges Aufbringung von Dünnschichten
Für die Synthese steht zudem eine Hochtemperatur-Ofen-Suite (Muffelöfen bis zu 1300 °C und begasbare begasbare (Ar, H2, N2, H2S) Röhrenöfen bis 1600 °C (Carbolite, Nabertherm, Magmatherm) sowie eine Emax-Hochenergie-Kugelmühle von Retsch mit zwei Mahlstellen und bis zu 3000 Umdrehungen/min und Tablettepresse für Tablettengrößen von 5, 10 oder 20 mm Durchmesser zur Verfügung.
- Thermo Scientific Apreo 2 SEM Hochvakuum, Auflösung von 1 nm bei 10 mm Arbeitsabstand. Everhart-Thornley SE Detektor, sowie in-lens und in-column Rückstreuelektronendetektoren erlauben die gleichzeitige Untersuchung von Morphologie, Topografie und Oberflächenstruktur. Der EDS-Detektor ermöglicht Punktanalyse, Linienscans, Bereichsanalyse und Elementverteilungsbilder. Die neigbare 5-achsige, motorisierte, euzentrische Stage bietet Platz für 12 Standardstubs.
- Thermo Scientific Scios 2 DualBeam. FIB-REM-System (Focused Ion Beam – Rasterelektronenmikroskop) mit ultra-hoher Auflösung (1.4 nm bei 1 keV für den Elektronenstrahl und 3.0 nm bei 30 kV für den Ionenstrahl), für eine schnelle und einfache Präparation ortsspezifischer hochauflösender S/TEM-Proben, sowie deren 3D-Charakterisierung (Detektoren: ETD, T1, T2, T3). Schneller Zugriff auf detaillierte nanoskalige Informationen von oben (top-down), an geneigten Proben oder Querschnitten möglich. Mit integrierter IR-Kamera zur Beobachtung der Probe und der Kammer, sowie Strahlstrommessung.Thermo Fischer SEMs plus Präparationskits
- STOE Stadi P Transmissionsdiffraktometer für Transmissionsproben und Kapillaren, Mythen2 2K Doppeldetektorsystem, Insitu HT2 Hochtemperaturreaktionskammer, mit einstellbarem Schutz- oder Reaktionsstrom in Kapillaren, drehbarer Batterieträger für insitu Analyse, Probenwechsler für bis zu 30 Transmissionsproben oder 10 Kapillarproben. I, CDD Powder Diffraction File Database PDF2, TOPAS
- Bruker D8 Advance Röntgendiffraktometer in DAVINCI.DESIGN mit TWIN/TWIN Optik Strahlengangdesign für eine große Vielfalt an Probentypen (Pulver, komplexe Geometrien, Dünnschichten und Folien). Bragg-Bretano-Geometrie, Pallelstrahlgeometrie, Grazing Incidence Difraktion, Röntgenreflektometrie, microXRD. Dynamic Beam Optimization (DBO), LYNXEYE XE-T Detektor, Cu radiation
- Raman-Mikroskop mit einem Nd-YAG-Laser 50 mW, Objektiv 20x, 40x, 60x und 100X. Geeignete Probe: flache feste Materialien und Pulver. Software WiRE 3.4.
- 3Flex Micromeritics Hochleistungs-Gasadsorptionsanalysator, Gas- oder Dampfadsorptionsanalyse von mikroporösen (<2 nm) und mesoporösen (2 bis 50 nm) Materialien. Hochauflösende Gasadsorptionsisothermen zur Charakterisierung von Adsorbentien, Katalysatoren, Zeolithen, MOFs (metal organic frameworks), APIs (active pharmaceutical ingredients), Hilfsstoffen und einer Vielzahl von porösen und nicht porösen Materialien. 0,1-Torr-Wandler für die Charakterisierung des Ultramikroporenbereichs. Statische Chemisorptionsanalyse mit präzisem, stabilen Ofen bis 1100 °C. Integrierte Probenvorbereitung und -aktivierung einschließlich Massenflussregler.
- TGA Thermisches Analysesystem TGA/DSC 3+ gekoppelt mit MS thermoStar, ausgestattet mit einem SDTA-, DTA- oder DSC-Sensor zur gleichzeitigen Erfassung von thermischen Effekten, die keinen Gewichtsverlust zeigen. 10 Datenpunkte / sec, Abkühlrate zwischen 0,02 K - 50 K und Heizrate zwischen 0,02 K - 250 K (2 K - 250 K). MS-Nachweisgrenze < 100 ppbmit einer Auflösung von 0,5 - 2,5 u.
- Profilometer KLA Alpha-Step D-600, Tastschnitt-Profilometer mit 2D und 3D Stufenhöhenmessungen von 4nm bis 1200µm, 2D-Bogen- und Spannungsmessungen, motorisierter Messtisch mit einem 200-mm-Probentisch
- MasterSizer 2000 von Malvern Instruments, Bestimmung der volumetrischen und anzahligen Partikelgrößenverteilung mittels statischer Lichtstreuung im Partikelgrößenbereich von 50 nm bis 1 mm, Trocken- und Nassdispersion zur Separation der Partikelgrößen sind möglich
- Linseis L75V Dilatometer, Messung des Thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 25 – 1600 °C mit Möglichkeiten zur Messung in inerter Atmosphäre
- Zahner Im6e mit COLT Zelle und PEC
- Autolab PGSTAT 302N (Bis 6A und 50 V, 10MHz - 0.1 Hz, Zeitauflösung 1µs)
- Hochdruck-Elektrolyse-Teststand (SSAS, SOEC) bis 80 bar und 550 °C
- H2 und O2-Permeationsmessstände
- Impedanz-Messjigs für planare Zellen in 2-Elektrodenkonfiguration
- Norecs Probostatjig
- Autolab VIONIC Potentiostat (Bis 6A und 50 V, 10MHz - 0.1 Hz, Zeitauflösung 1µs)
- Autolab PGSTAT204 mit FRA32M Modul (10nA - 100mA und 50 V, 1MHz - 0.1 Hz)
- Vierpunktleitfähigkeitsmessung verbunden mit Keithley 2400 SMU









