Folie 1

Anwendung der Nanowissenschaft in der Energietechnik 1. 50 Jahre Nanotechnologie 2. Methoden zur Untersuchung von Nano-Strukturen 3. Verfahren zur Herstellung und Eigenschaften von Nano-Strukturen 4. Zuknftige Beitrge der Nanowissenschaft zur Energiegewinnung 5. Spannungsabflle an Grenzflchen (Thermoelektrischer Generator, Solarzellen, Batterien) 6. Katalytische Vorgnge an Grenzflchen (Wasserstoffproduktion mit Sonnenlicht) 7. Nanoporse Materialien (Wasserstoffspeicherung) 8. Ausblick 9. Literatur J.Uhlenbusch Heinrich-Heine-Universitt Dsseldorf

Folie 2

1. 50 Jahre Nanotechnologie Richard Feynman (1918-1988) 1959: There is plenty of room at the bottom Es gibt noch viel Platz am unterenEnde (der Lngenskala) makroskopischer und mikroskopischer Krper und , ob wir die Atome in einer gewnschten Weise anordnen knnen, die einzelnen Atome, ganz da unten? Cicero Alles kommt aus kleinen Dingen

Folie 3

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 Nanorhren

Folie 4

2. Methoden zur Untersuchung von Nanostrukturen Definition: Nanowissenschaft befasst sich mit der Unter- suchung, Herstellung und Anwendung von Strukturen mit einer Gre10% benchmark! -Porphyrine (Porphine) sind mit Chlorophyll verwandt

Folie 36

7. Nanoporse Materialien Definition nanoporser Materialien: -Porenradius< 50 nm, gleichmige Porengre -Porenvolumen/Totalvolumen 0.2-0.95 -groe spezifische Oberflche 100 qm/Gramm offene Poren -aktive Oberflchenchemie, Anwendung: Katalyse, Speicherung,Vernderung des Reflektionsverhaltens -selektive Durchlssigkeit, Anwendung: Membran, Sensorik, Flssigkeits- und Gasreinigung bzw.- trennung) geschlossene Poren -Materialien mit vernderter Wellenausbreitung und vernderten Transporteigenschaften Anwendung: Beeinflussung der Lichtausbreitung, Schallausbreitung, Wrmeleitung Praktische Realisierung -Poren in dnnen Schichten Al 2 O 3 -Membran - Poren in dicken Schichten Au- Ag Legierung nach Entfernung des Ag

Folie 37

7. Nanoporse Materialien Natrliches Vorkommen nanoporser Materialien -Biologische Systeme, Zeolithe (Aluminium-Silikat) Anforderungen an adsorbierende, nanoporse Materialien, siehe [12] -hohe Adsorptionsfhigkeit -hohe Selektivitt -gnstige Adsorptionskinetik, hohe Adsorptionsraten -hohe mechanische Festigkeit -hohe chemische Stabilitt und Haltbarkeit Herstellung nanoporser, dnner Schichten -Selektives Entfernen von Stoffen aus Festkrper- oberflche durch chemische Prozesse oder Erhitzen -Aufdampfen von Material auf der Innenseite der Poren mit in situ Kontrolle des Porendurchmessers -Kombination von Lithographie und tzverfahren -UV-Licht zerstrt Moleklbindungen in SiO 2 - Dnn- schichtfilm mit periodischer Struktur. Bildung von festem SiO 2 mit porser, periodischer Struktur Herstellung nanoporser, dicker Schichten -Aerogele produzieren gleichmige Poren von~5nm (geringe Festigkeit, hohe Sprdigkeit, Hydrophilie) -Langsame Kristallisierung eines Al 2 O 3 - Gemischs bei Anwesenheit alkalischer und organischer Stoffe -Chemische Aktivierung von C mit dehydrierenden Substanzen (ZnCl 2 ) bei 1000K -Aktivierung von C mit SiO 2 -Nanoteilchen, gleichmige Poren von ~10 nm -Mischung Polymere-Keramik nach Erhitzen nanopors durch Selbstorganisation

Folie 38

7. Nanoporse Materialien Anwendung :Wasserstoffspeicher fr Automobile Technische Vorgaben -Motorleistung P M =50 kW, -Tank: Volumen V T = 0.1 m -Masse M T = 100 kg -Reichweite 500 km in t=5 h Abschtzung der bentigten Wasserstoffmenge -Bentigte Energie: W= P M t= 250kWh=0.9 10 kJ -Bildungsenthalpie H 2 O(fl):H Bild =0.286 10 kJ/kMol -1kMol H 2 2 kg -Masse H 2 : M H =2 W/H Bild =6.3 kg -Volumendichte H 2 im Tank: = M H /V T =63kg/m - Gewicht H 2 / Gewicht Speicher =M H /M T =0.065 Eigenschaften Speicher -Massendichte : = M T /V T =1000 kg/m -Clustervolumen V C =4/3 R -Clusteroberflche O C =4 R -Belegungsdichte H: C H =10 m -Zahl der Cluster N C, Gesamtvolumen V G =N C *V C -V T = V G, M H /M T =0.065= C H N C O C m H /( N C V C M) =3 C H m H /( M R) -R=3 C H m H /( M )= 8 nm gesetzt 3 6 6 20 -2

Folie 39

7. Nanoporse Materialien Konventionelle Lsungen -Kompression von H 2 auf 700 bar (Problem:Versprdung) -Verflssigung von H 2 (5 kg fr 500 km bei 21K) (Problem: Energieaufwand zur Abkhlung =1/3 der Gesamtenergie, Abdampfverluste 2% -3% pro Tag) -reversible Einlagerung in Metalle, Aktivkohle etc. (Problem: Abrufbarkeit, Speichermenge, erforderliche Temperatur, Kosten),nach [13] Warum H 2 oder einfache H 2 Verbindungen? -hohe katalytische Reaktionsraten in Brennstoff zellen -Herstellung aus H 2 O und Kohlenwasserstoffen -Verbrennungsprodukt H 2 O, umweltfreundlich -hohe Energiedichte bei Speicherung Benchmark (DOE) -6.5 Gew. % H 2, 63 Kg/m, Beladungszeit