Projektleiter

Projektbeschreibung

Prof.  Dr. Jürgen Behm

Universität Ulm  Abteilung Oberflächenchemie und Katalyse (Physikalische Chemie II)                   Ulm

 Nanostrukturierte, mesoporöse Au/MeOx Katalysatoren für Tieftemperatur-Oxidation- und Reduktion

Das Projekt zielt darauf ab, die Möglichkeiten eines neuartigen Syntheseansatzes für monodisperse, mesoporöse AuMeOx Nanopartikel für Anwendungen in der Heterogenen Katalyse, speziell für Oxidations-/Reduktionsreaktionen bei niedrigen Temperaturen, auf der Grundlage eines molekularen Verständnisses zu evaluieren. Dafür sollen die von den Projektpartnern synthetisierten nanostrukturierten AuMeOx Kompositpartikel (Präkatalysatoren) zunächst durch geeignete Prozessierung (,Konditionierung'), insbesondere durch Entfernen der organischen Bestandteile, in einen aktiven Zustand überführt werden. Anschließend sollen die chemischen und katalytischen Eigenschaften der resultierenden Katalysatoren sowie die Abhängigkeit dieser Eigenschaften von der Morphologie/Struktur und dem chemischen Zustand der Au/MeOx Teilchen durch spektroskopische (XPS, IR), elektronemikroskopische (TEM) und reaktionskinetische/mechanistische Untersuchungen bestimmt werden.Transport- und Diffusionseffekte sollen durch schnelle zeitaufgelöste Messungen an einem TAP Reaktor erfasst werden. Ziel ist ein molekulares Verständnis der bei der Konditionierung und der katalytischen Reaktion ablaufenden Prozesse als Grundlage für die gezielte Optimierung dieser nanostrukturierten Materialien und ihres Synthese-Konditionierungsprozess.

Prof. Dr. Nicola Hüsing

Universität Ulm  Abteilung Anorganische Chemie I (Festkörperchemie)   Ulm

Strukturierte Nanopartikel über kooperative Selbstorganisations- und Sol-Gel-Prozesse

Das Ziel dieses Projekts ist es, durch die Kombination von Sol-Gel Prozessen, kolloider Selbstorganisation und Miniemulsionstechniken multifunktionelle anorganische Partikel herzustellen, die ein in dieser Kombination einzigartiges Eigenschaftsprofil zeigen: Einen maßgeschneiderten hierarchischen nanoskaligen Aufbau mit einer monodispersen Grenzverteilung der Partikel einstellbar von 20 bis zu 500 nm und einer internen Nanostruktur mit periodischen Wiederholungen in der Grenzordnung von 2-10 nm. Im Rahmen dieses Teilprojektes soll ein gezieltes Design der Ausgangsverbindungen, sowohl auf Basis der netzwerkbildenden als auch der strukturgebenden Komponente, eine definierte chemische Zusammensetzung von rein keramischen bis hin zu anorganisch-organischen Hybridsystemen gewährleisten. Neben der Zusammensetzung der Partikel sollen das Mesophasenvolumen kontrolliert sowie eine Bandbreite von Nanostrukturen zugänglich gemacht werden. Die hohe Porosität der Partikel kombiniert mit der geringen Dichte und ihre definierte Größe erlauben nicht nur den Einsatz in neuen Anwendungsgebieten, sondern es werden auch neue Morphologien zugänglich wie z.B. Packungen von hochstrukturierten 2-dimensionalen Schichtstrukturen auf Substraten oder und 3-dimensionale Formkörper.

Prof. Dr. Ute Kaiser

Universität Ulm    Zentrale Einrichtung Elektronenmikroskopie Ulm

Hochaufgelöste Analytische Transmissionselektronenmikroskopie zur Aufklärung der Herstellungs-Struktur- Eigenschaftsbeziehung von nanoporösen anorganischen Materialien

Im Rahmen dieses Projektes soll die Synthese-Struktur-Eigenschaftsbeziehung der maßgeschneiderten hierarchischen nanoskaligen Strukturen schwerpunktmäßig mittels moderner hochauflösender analytischer transmissionselektronenmikroskopischer Methoden erarbeitet und im Zusammenhang mit Bildsimulationen einem grundlegenden Verständnis zugeführt werden. Dazu müssen Querschnittspräparationsverfahren teilweise neu erarbeitet, neue analytische transmissionselektronenmikroskopische Verfahren für Nanoobjekte auf die neuartigen nanoporösen Materialien angewendet und Bildsimulationen zum Verständnis der Ergebnisse durchgeführt werden.

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Prof. Dr. Katharina Landfester

Universität Ulm  Abteilung Organische Chemie III (Makromolekulare Chemie und organische Materialien) Ulm

Strukturierte Nanomaterialien aus Nanokompartments

Das Ziel dieses Projekts ist es, durch die Kombination von Sol-Gel Prozessen, kolloider Selbstorganisation und Miniemulsionstechniken multifunktionelle anorganische Partikel herzustellen, die ein in dieser Kombination einzigartiges Eigenschaftsprofil zeigen: Einen maßgeschneiderten hierarchischen nanoskaligen Aufbau mit einer monodispersen Grenzverteilung 18 der Partikel einstellbar von 20 bis zu 500 nm und einer internen Nanostruktur mit periodischen Wiederholungen in der Grenzordnung von 2-10 nm; Der Hauptfokus dieses Teilprojekts liegt in der Adaptierung der Herstellungsbedingungen von Nanokompartments in Gegenwart von verschiedensten interagierenden Tensidmolekülen. Tensidmoleküle werden nicht nur zur Stabilisierung einer Miniemulsion eingesetzt, sondern auch in den kooperativen Selbstorganisationsprozessen von anorganischen Spezies mit lyotropen Tensidphasen benötigt. Um ein möglichst breites Synthesefeld für die Bildung von nanostrukturierten Partikeln zu eröffnen, werden in engem Wechselspiel mit anorganischer Synthese und Charakterisierung unterschiedlichste Parameter variiert.

Dr. Margret Wohlfahrt-Mehrens

Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW)                        Ulm

Studien zur elektrochemischen Energiespeicherung in nanoskaligen anorganischen Materialien

Im Rahmen dieses Teilprojekts werden systematisch nanoskalig anorganische Materialien hinsichtlich ihrer elektrochemischen Eigenschaften sowie ihrer Anwendungspotentiale in Lithium-Ionen-Zellen oder Superkondensatoren untersucht. Die nanodisperse Grenzverteilung und die interne Nanostruktur der Partikel führt zu einer Reduktion der Diffusionslänge für Lithium von mehreren Grenzordnungen und zu einer Erhöhung der Oberfälche im Vergleich zu Materialien mit Mikrostruktur, was sich sowohl auf die Kinetik der Lithiumdiffusion als auch auf die Kinetik der Ladungstransferreaktion auswirkt. Das Ziel dieses Projekts ist ein besseres Verständnis der Korrelationen zwischen Partikelgrenze und Nanostrukturierung oxidischer Materialien und der elektrochemischen Reduktionsprozesse in Lithiumzellen. Die Kombination verschiedener elektrochemischer Methoden wie Zyklovoltammetrie, Impedanzmessungen und Titrationsmethoden PITT (Potentiostatic intermittent titration technique), GITT (Galvanostatic intermittent titration technique) gekoppelt mit Röntgenstrukturanalyse ermöglicht eine grundlegende Analyse der Ladungstransferreaktionen.

Priv. Doz. Dr. Joachim Bill

Universität Stuttgart Institut für Nichtmetallische Anorganische Materialien Stuttgart

Dr. Marko Burghard

Max-Planck-Institut für Festkörperforschung (MPI-FKF)          Abteilung Kern                   Stuttgart

Synthesis and property characterization of precursor-derived ceramics reinforced by functionalized single-wall carbon nanotubes

This project aims at the synthesis and investigation of novel precursor-derived ceramic matrix composites incorporated with single-wall carbon nanotubes (SWCNTs) as reinforcement of ultimate mechanical strength and resilience. The central goal is to confer high mechanical and electrical performance to composites composed of SiCN or SiBCN as ceramic matrix. To this end, high purity SWCNTs shall be chemically functionalized in order to obtain well-separated tubes as well as to control the interfacial bonding between the ceramic and the nanotubes to ensure efficient tube dispersion and load transfer. The devised chemical functionalization encompasses the fluorination of SWCNTs, which should enable covalent anchoring by N-H functional groups on the precursor molecules via nucleophilic substitution of sidewall fluorine atoms. For investigating the mechanical properties and fracture mechanism of the composites at the micro/nanoscale, measurements based upon a thermal load method will be complemented by nanoindentation testing, specifically addressing hardness, Youngs modulus and fracture toughness as a function of the synthesis and processing conditions, as well as the nanotube content and functionalization degree. In particular, the comparison between the composites comprising unmodified SWCNTs and those containing functionalised tubes shall reveal the extent to which the envisioned interfacial coupling leads to enhanced material performance. Along the same line, the electrical conductivity of the nanotube-reinforced composites will be studied, with focus on the percolation behaviour. Finally, detailed microscopic investigations shall be performed with the aim of correlating major structural features of the SWCNT/ceramic nanocomposites - such as the structural integrity and distribution of the nanotubes - with their mechanical and electrical properties, thus aiding to identify the optimal fabrication parameters and composition of these materials.

Prof.  Dr. -Ing. Henning Bockhorn

Universität Karlsruhe (Technische Hochschule)          Institut für Chemische Technik            Karlsruhe

gemeinsam mit

Michael Haußmann

Universität Karlsruhe (Technische Hochschule)          Institut für Chemische Technik            Karlsruhe

Dr. Ing. Rainer Oberacker

Universität Karlsruhe (Technische Hochschule)          Institut für Keramik im Maschinenbau Karlsruhe

Si-O-C-Pyrolyse-Keramiken: Strukturen, Eigenschaften und Optimierung der Bildungsprozesse durch molekulares Design von anorganisch/organischen Precursoren

Keramische Werkstoffe auf der Basis von Si-O-C haben ein großes Anwendungspotential als mikromechanische Bauteile, die hohen tribologischen und korrosiven Beanspruchungen ausgesetzt sind. Eine Route zur Herstellung dieser Werkstoffe ist die Pyrolyse und anschließende Keramisierung spezifischer polymerer Precursoren. Die vorgeschlagenen Arbeiten im Bereich der Polymersynthese und Pyrolyse weisen drei Zielrichtungen auf: (i) Durch das molekulare Design von Monomeren auf der Basis von Silanolen soll die Zusammensetzung und damit die Mikrostruktur des Endproduktes gezielt eingestellt werden, (ii) Die polymeren Precursoren sollen mit einem Membrantrennverfahren in enge Molekulargewichtsverteilungen fraktioniert werden, um unter Beibehaltung leichter Verarbeitbarkeit einerseits die keramische Ausbeute zu erhöhen und andererseits den Einfluss auf die spätere mikrostrukturelle Entwicklung zu studieren, (iii) Ermittlung der Pyrolysekinetiken in Abhängigkeit des molekularen Designs der polymeren Precursoren. Weitere Ziele liegen im Bereich der Weiterverarbeitung. An möglichst vollständig verdichteten Precursor-Keramiken werden die mechanischen Eigenschaften nach verschiedenen Auslagerungszuständen ermittelt, um ein umfassendes Verständnis der Gefüge-Eigenschaften- Korrelation von Si-O-C-Werkstoffen zu erhalten. Ein Schwerpunkt dieser Arbeiten liegt in der Untersuchung des unterkritischen Risswachstums, das für spätere Anwendungen von entscheidender Bedeutung ist. Langfristiges Ziel ist die Bereitstellung eines Methodenbaukastens zur Herstellung billiger, einfach zu prozessierender Werkstoffe mit speziell einstellbaren Materialeigenschaften.

Prof. Dr. Jürgen Caro

Universität Hannover Institut für Physikalische Chemie und Elektrochemie  Hannover

gemeinsam mit 

Priv. Doz. Dr. Michael Wark

Universität Hannover     Institut für Physikalische Chemie und Elektrochemie  Hannover

Prof. Dr. Thomas Frauenheim

Bremen Center for Computational Materials Science        Universität Bremen

Prof. Dr.-Ing. Georg Grathwohl        Universität  Bremen Keramische Werkstoffe und Bauteile

Bremen

gemeinsam mit:

Dr.-Ing. Dietmar Koch

Universität Bremen Fachgebiet Keramische Werkstoffe und Bauteile        Bremen

Funktionalisierte Nanohybride für elektrochemische Anwendungen

Neuartige Funktionswerkstoffe mit nanoskaliger Hybridstruktur aus oxidkeramischen und siliciumorganischen Komponenten werden entwickelt. Siloxan-Precursorsysteme werden sowohl für die Herstellung selbsttragender Folien wie auch als funktionalisierte Oligomere verwendet. In der Bremer Keramikgruppe wird zunächst die Weiterentwicklung der Membrantechnik durch Verarbeitung modifizierter Polysiloxane verfolgt, in die bifunktionelle oxidische Nanopartikel (oberflächenmodifizierte Nanozeolithe bzw. SiO2- Nanokugeln) während des Strukturbildungsprozesses eingebracht werden. Diese anorganischen Nanokomponenten werden in der Arbeitsgruppe Physikalische Chemie und Elektrochemie der Universitä Hannover entwickelt und erhalten ihre Bifunktionalität durch an die Oberfläche gebundene Anteile von protonenleitenden und zur kovalenten Verknüpfung geeigneten funktionellen Gruppen. Die Effektivität dieser funktionalisierten Oberflächen wird auch an anorganischen Gerüststrukturen untersucht, die in Hannover mit einer weiterentwickelten Sol- Gel-Technik sowie mittels kathodischer elektrochemischer Abscheidung hergestellt werden. Hierbei ist geplant, die in Bremen synthetisierten Meso-Moleküle (Oligomere) zur weiteren Funktionalisierung in situ in die entstehende anorganische Netzwerkstruktur einzubinden. Die entstehenden Hybridstrukturen sollen als neuartige Funktionsmaterialien für Protonenleiter, Katalysatoren und selektive Trennmodule bei erhöhten Betriebstemperaturen eingesetzt werden. Strukturanalysen und Funktionstests der erzeugten Bauteilkomponenten ergeben Daten, die auch als Input und Vergleich für die Modellierung der relevanten Transportprozesse und der sie tragenden funktionellen Einheiten in der Hybridstruktur dienen. Die Arbeitsgruppe Theoretische Physik der Universität Paderborn erarbeitet mittels quantenmechanisch- basierter Simulationen Modellsysteme dieser Hybridstrukturen und nutzt sie im Austausch mit den experimentellen Gruppen zur Identifizierung verbesserter Zielstrukturen mit weiter erhöhter Leitfähigkeit und Selektivität.

Priv. Doz. Dr. Helmut Ehrenberg

Technische Universität Darmstadt    Fachbereich 11 - Material - und Geowissenschaften Darmstadt

Prof. Dr. Wolfram Jaegermann

Technische Universität Darmstadt    Fachbereich 11 - Material - und Geowissenschaften Darmstadt

Prof. Dr. Jörg J. Schneider

Technische Universität Darmstadt            Eduard Zintl-Institut für Anorganische und Physikalische Chemie Darmstadt

Hybridstrukturen aus Phosphoolivinen des Typs LiMPO4 mit C- Nanofilamenten für Li-Ionen-Batterien: Präparation, Eigenschaften und Anwendungspotentiale

Ziel des Antrags ist die Herstellung von Hybridstrukturen Lithiumhaltiger Phosphoolivine des Typs LiMPO4 (M=Co, Ni, Mn, Fe) mit Kohlenstoff Nanoröhren (CNTs) bzw. C-Nanofasern für die Anwendung als Kathodenmaterialien in Li-Ionen-Batterien. Dazu sind die Kompositstrukturen in ihren relativen Dimensionen und jeweiligen Volumen- und Grenzflächeneigenschaften systematisch hinsichtlich ihrer elektrischen, ionenleitenden und kapazitiven Eigenschaften für die Anwendung in Batterien zu optimieren. Als elektronisch leitfähige Substrate sollen C-Nanofasern verwendet werden. Innerhalb des Projekts sind definierte C-Nanoröhren-, Bürstenstrukturen" herzustellen, die für die Anwendung in der Länge, Dicke und Packungsdichte einzustellen sind. Die Oberflächen der C-Substrate sind für die nachfolgende Abscheidung zu konditionieren. Die Abscheidung der Olivine erfolgt über SoI-Gel- Synthese aus der Lösung oder über Abscheidung von LiMO4- und NH4MPO4- Nanoprekursoren aus wässriger Lösung. Dazu sind experimentelle Bedingungen zu identifizieren, die eine kontrollierte Morphologie der abgeschiedenen Schichten mit für die Anwendung idealen Dicken und Kornstrukturen ermöglichen. Die Substrate aus C-Nanofasern, die entstandenen Schichten und die hergestellten Kompositstrukturen werden mit Mikroskopie (REM, TEM, AFM/STM), Beugungsmethoden (XRD), sowie Raman- und IR-Spektroskopie charakterisiert. Zusätzlich sind detaillierte Untersuchungen zu den Oberflächen- und Grenzflächeneigenschaften der Substrate und Kompositstrukturen als auch zu der chemischen Zusammensetzung und den elektronischen Eigenschaften mit PES und XAS vorgesehen. Die Charakterisierung der Batterieeigenschaften erfolgt mittels Strom-Spannungsmessungen und Impedanz Spektroskopie. Aus der Korrelation der Batteriekenngrößen mit den strukturellen und spektroskopischen Untersuchungen sollen eindeutige Korrelationen zur Nanostruktur der Kompositsysteme abgeleitet und daraus Kriterien für die Optimierung der Präparation und Wahl vielversprechender Materialkombinationen für Batterien entwickelt werden.

Prof. Dr. -Ing. Holger Hanselka

Technische Universität Darmstadt          Fachgebiet Systemzuverlässigkeit im Maschinenbau       Darmstadt

Prof. Dr. Ralf Riedel

Technische Universität Darmstadt          Fachbereich 11 - Material - und Geowissenschaften Darmstadt

Keramische Temperatur- und Drucksensoren auf Basis molekularer abgeleiteter, im Spritzgießverfahren geformter SiOC-Keramik

Ziel des vorliegenden Forschungsantrages ist die Synthese von SiOC-Keramiken mit Nanodomänenstruktur aus molekular aufgebauten präkeramischen Polymeren. Auf der Basis von Polysiloxanen und geeigneter weiterer chemischer Elemente sowie nanoskaliger Füllstoffe soll ein multfunktionales keramisches Bauteil im System SiOC mit sensorischen Eigenschaften entwickelt werden. Als Demonstrationsobjekt soll ein keramischer Glühstift mit Temperatur-, und Drucksensorik dienen. Insbesondere soll durch Einbau von Bor und/oder Aluminium die thermische Stabilität der SiOC-Matrix von derzeit 1200° auf 1300° C für den Dauerbetrieb erhöht werden. Der Temperatursensor wird durch in situ-Messung des elektrischen Widerstandes während des Betriebs des Glühstifts realisiert, während der Drucksensor über Integration eines Piezomaterials in den SiOC Glühstift erfolgt. Die präkeramische Polymermasse inklusive Füllstoffe soll in ihren rheologischen Eigenschaften auf eine endkonturnahe Serienfertigung im Spritzgießverfahren optimiert werden (thermodur oder thermoplastisch). Die Zuverlässigkeit des multifunktionalen Sensors soll durch werkstoffseitige Charakterisierung und Systemuntersuchungen belegt und optimiert werden. Es soll ein neuer Ansatz zur Zuverlässigkeitsprüfung polymerabgeleiteter SiOC-Keramiken angegangen werden, der sowohl die Einzelkomponenten, Sensor- und Matrixmaterial, betrachtet als auch das Gesamtsystem, Sensor und Funktion, vereint.

Prof. Dr. Jochen Gutmann

Institut für Physikalische Chemie derJohannes Gutenberg Universität Mainz

Prof. Dr. Peter Müller-Buschbaum

Technische Universität München            Department E 13: Lehrstuhl für Experimentalphysik IV Garching

Nanostrukturierte Filme aus selbstkapselnden anorganisch-organischen Hybridmaterialien

In vielen technologisch relevanten Anwendungen kommen anorganisch-organische Hybridmaterialien zum Einsatz. Speziell in Form von nanostrukturierten Filmen ergeben sich technologisch relevante Anwendungsfelder im Bereich der Solarzellen. Ziel des Antrags ist die Herstellung und Charakterisierung von komplex aufgebauten, nanostrukturierten, zweidimensionalen Werkstoffen (Filmen) mit speziellen optischen Eigenschaften. Grundlage der Herstellung ist eine Sol-Gel-Templat basierte Synthese von keramischen Metalloxidnanopartikeln, bei der amphiphile Diblockcopolymere als formgebende Matrix eingesetzt werden. Nach der im ersten Schritt erfolgten Filmpräparation liegen die resultierenden hochgeordneten Nanopartikelarrays, in Form amorpher bergangsmetalloxide vor. Ihre Form und Anordnung wird dabei im Wesentlichen durch das formgebende Diblockcopolymer sowie die Präparationsbedingungen bestimmt. In einem anschließenden Schritt werden die anorganischen Nanopartikel Arrays durch Erhitzen auf Temperaturen oberhalb 400°C in kristalline Modifikation überführt. Durch gezieltes molekulares Design des hydrophoben Block im formgebenden amphiphilen Diblockcopolymer soll dabei erreicht werden, dass der hydrophobe Block bei der Temperaturbehandlung nicht verascht wird, sondern auf der Oberfläche der anorganischen Nanopartikel als kapselnde keramische Oberflächenschicht abgelagert wird. Zu jedem Schritt in der Herstellung soll eine Charakterisierung mit Hilfe der modernen Streumethode Kleinwinkelstreuung unterstreifendem Einfall erfolgen. Dies erlaubt eine Optimierung der Prozessparameter, da die spezielle Streutechnik eine hohe statistische Relevanz der strukturellen und chemischen Information mit der Möglichkeit vergrabene Strukturen zu analysieren kombiniert.

Dr.  Karl-Heinz Haas

Fraunhofer-Institut für Silicatforschung Würzburg

Herstellung mikroporöser anorganischer Hohlfasern mit maßgeschneidertem Aufbau aus anorganisch-organischen Hybridpolymer-Vorstufen

Gegenstand des geplanten Forschungsvorhabens ist ein neues Konzept zur Herstellung mikroporöser (Porengröße < 2nm) anorganischer Hohlfasern mit maßeschneidertem Aufbau. ORMOCERe (= anorganisch-organische Hybridpolymere) können mit einem auf UV-induzierter Härtung basierenden Verfahren zu Hohlfasern verarbeitet werden, die über Pyrolyse in anorganische Hohlfasern transformiert werden können. Abhängig von der Art der Precursoren und den Prozessparametern ergeben sich unterschiedliche Zusammensetzungen und Morphologien. Diese Anstäze sollen systematisch untersucht und weiterentwickelt werden. Im Fokus stehen mikroporöse Membran- und Trägermaterialien auf SiO2- Basis sowie deren Modifikationen mit den Keramik bildenden Elementen Zr, Ti, AI. Dabei erfolgt in einer Bottom-Up-Strategie die komplette Entwicklungslinie von der Synthese der Precursor-Moleküle bis zur Hohlfaserherstellung einschließlich der Charakterisierung der Funktionseigenschaften. Nach der systematischen Grundlagenarbeit, die nach dem Antragszeitraum abgeschlossen sein soll, ist im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms zusammen mit einschlägigen Partnern ein Fortsetzungsantrag mit klarer  anwendungsorientierter Zielsetzung z. B. in Richtung Hochleistungsmembranen und -filter, poröse Träger für die Medizintechnik und Biotechnologie oder Katalysatorträger geplant.

Dr. Mathias Herrmann

Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Sinterwerkstoffe (IKTS) Dresden

Prof. Dr. Stefan Kaskel

Technische Universität Dresden Institut für Anorganische Chemie Dresden

Katalytisch aktive SiC-Nanokomposite aus molekularen Vorstufen - Synthese, Charakterisierung und katalytische Tests

Ziel des 6-jährigen Gesamtprojekts ist die Vorbereitung von Grundlagen für Bauteile zur Verbesserung katalytisch unterstützter Verbrennungsprozesse. Im ersten Projektabschnitt sollen mittels molekularer Bausteine funktionalisierte Precursoren generiert und daraus katalytisch aktive Keramikoberflächen hergestellt werden. Die verbesserte katalytische Effizienz wird erreicht, indem geeignete Katalysatorbausteine molekular verteilt in den Precursor integriert werden. Die vorteilhafte Precursorstruktur soll durch geeignete Pyrolyseschritte in hochporöse Nanokomposite überführt werden, die gleichzeitig in der Lage ist, die nanoskaligen Bausteine an zellulare keramische Träger zu fixieren. Damit wird eine nahezu perfekte Dispergierung der Katalysatorbausteine durch molekulares Design der Precursoren und der spezifischen Verarbeitungseigenschaften derselben realisiert, was Voraussetzung für die Verbesserung der katalytischen Prozesse ist. Die Arbeiten werden flankiert von vielfältigen Charakterisierungsmethoden zur Erfassung der Struktur der funktionalisierten Precursoren, der keramischen Pyrolyseprodukte und deren katalytischer Wirksamkeit, so dass die Zusammenhänge zwischen Materialstruktur, Prozessparametern und Feststoffeigenschaften erkannt und gezielt nutzbar werden.

Prof. Dr. Rhett Kempe

Universität Bayreuth Lehrstuhl für Anorganische Chemie II   Bayreuth

Dr. Günter Motz

Universität Bayreuth Lehrstuhl für Keramik und Verbundwerkstoffe  Bayreuth

gemeinsam mit 

Prof. Dr.-Ing. Walter Krenkel

Universität Bayreuth Lehrstuhl für Keramik und Verbundwerkstoffe Bayreuth

Entwicklung neuer Precursorkeramiken auf Basis metallmodifizierter Polysilazane mit hohem Anwendungspotenzial in Adsorption und Katalyse

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung neuartiger Keramiken, die unter verschärften Betriebsbedingungen (Temperatur, aggressive Medien) eingesetzt und durch zusätzliche Funktionalisierungen mit maßgeschneiderter Porosität und gesteigerter Selektivität als keramische Trennmodule und Katalysatoren betrieben werden können. Diese optimierten Werkstoffe basieren auf Ausgangsmaterialien, die durch die chemische Anbindung von neuartigen Metallkomplexen an oligomere und/oder polymere SiCN-Precursoren hergestellt und durch Pyrolyse in poröse Keramiken mit hochdisperser Metallverteilung überführt werden. Dazu müssen zunächst neue oder modifizierte Silazane und Metallkomplexe synthetisiert werden, deren Reaktivität so aufeinander abgestimmt ist, dass sie zu Schäumen oder Membranen verarbeitbar sind. Die kovalente Verankerung der Metallkomplexe am Silazangerüst gewährleistet dabei eine gleichmäßige Verteilung der Metalle auf atomarer Ebene in der späteren Keramik. In der sich anschließenden Pyrolyse verhindert sie zudem ein Abdampfen des Metalls. Zur Charakterisierung der metallmodifizierten porösen Materialien werden umfangreiche Untersuchungen hinsichtlich der Porosität, des Gefüges, der mechanischen Eigenschaften und der Langzeitstabilität in Abhängigkeit von den Herstellungs- und Anwendungsbedingungen durchgeführt. Aus diesen Daten und weitergehenden Versuchen kann das Adsorptionsverhalten abgeschätzt werden, längerfristig sind auch Untersuchungen zur Gasspeicherung z.B. H2 geplant. Am Ende der ersten Projektlaufzeit erfolgen außerdem erste mechanistische Studien zu katalyserelevanten Eigenschaften der entwickelten Keramiken. Die Entwicklung der Keramiken beinhaltet unterschiedlichste Teilschritte, die nur durch eine enge Zusammenarbeit verschiedener Fachrichtungen bearbeitet werden kann.

Prof. Dr. Edwin Kroke

TU Bergakademie Freiberg                 Institut für Anorganische Chemie            Freiberg

gemeinsam mit 

Dr. Marcus Schwarz

TU Bergakademie Freiberg                 Institut für Anorganische Chemie            Freiberg

Prof. Dr. David Rafaja

Technische Universität Bergakademie Freiberg Institut für Metallkunde       Freiberg

Prof. Dr. Holger Reinecke

Albert-Ludwigs- Universität Freiburg im Breisgau Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK)                  Freiburg

(Super)harte Nanokomposite

Im Rahmen von unterschiedlichen Studien zur Darstellung superharter Materialien wurde gefunden, dass unter bestimmten Bedingungen aufgrund eines nanoskaligen Gefüges die klassischen, defektbedingten Versagensmechanismen blockiert werden können. Dabei liegen extrem kleine, nahezu versetzungsfreie Kristallite mit Durchmessern < 10 nm in einer amorphen Matrix vor. Eine Verringerung der Härte durch den sog. inversen Hall-Petch-Effekt wird durch eine besonders scherfeste Kristallit- Matrix- Anbindung verhindert. Diese Art der "Nanoverstärkung" wurde bislang fast ausschließlich an Schichtmaterialien durch Methoden der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) realisiert. Die Beschichtungen haben sich vor allem auf Werkzeugen für die spangebende Metallbearbeitung bewährt und werden von einigen Herstellern bereits kommerziell angeboten. Um derartige Komposite erstmals in größerem Maßstab als Vollmaterial zu erhalten, sollen im beantragten Forschungsvorhaben das Konzept der Precursor-Keramik mit Methoden der Hochdruck- Hochtemperatursynthese kombiniert werden. Unter Rückgriff auf bereits als Schichtmaterialien bewährten Systeme wie M/Si/N (M = Ti, V, W), M/C/N oder B/C/N, werden aus metall- bzw. elementorganischen Vorläuferverbindungen (Precursoren) oder durch Hochenergiekugelmahlen anorganische, amorphe Ausgangsmaterialien erzeugt. Diese werden anschließend unter Hochdruck-Hochtemperatur- Bedingungen zu nanostrukturierten Hartstoffen keramisiert und verdichtet. Das Vorhandensein und die Wirksamkeit der "Nanoverstärkung" in den so erzeugten Hartstoffkörpern sind dabei anhand ihrer Element- und Phasenzusammensetzung und ihrer Mikrostruktur mittels Röntgendiffraktometrie, hochauflösender Elektronenmikroskopie, Mikro- und Makroanalytischer Methoden, sowie durch Härtemessungen über einen breiten Lastbereich zu verifizieren. Die hieraus gewonnenen Erkenntnisse dienen gleichsam zur Optimierung der Herstellungsparameter. Mit der erfolgreichen Herstellung (super)harter Nanokomposite als Vollmaterial werden sich auch erstmals weitere anwendungsrelevante Eigenschaften, wie z.B. die Eindruck- Risszähigkeit, der effektive Elastizitätsmodul und die Wärmeleitfähigkeit ohne die bei Schichten störenden Einflüsse des Substratmaterials ermitteln lassen. Um mögliche Anwendungen, z.B. als Schneidstoff für die Ultrapräzisionszerspannung zu testen, soll das Schneidverhalten der Nanokomposite genauer untersucht werden. Besonders bei der Zerspannung von Stählen werden erhebliche Verbesserungen gegenüber der Bearbeitung  mit konventionellen Schneidstoffen erwartet. Begleitend zu den Zerspannungstests sollen das tribologische Verhalten / Tribokorrosionsverhalten untersucht und die Eigenschaften ausgewählter Reibpaarungen quantifiziert werden.

Priv. Doz. Dr. Peter Kroll

Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen Institut für Anorganische Chemie Aachen

Modellierung und Simulation nanoskaliger Prezipitate in amorphen Matrices

In diesem Projekt werden realitätsnahe Modellstrukturen nanosegregierter Materialien aufgestellt und deren chemische und physikalische Eigenschaften mit quantenchemischen Methoden simuliert und berechnet. Die Kombination einer empirischen Methode zur Generierung ungeordneter Netzwerke mit quantenchemischen Methoden der ab initio Simulation machen den methodischen Ansatz zum Studium geordneter und ungeordneter Prezipitate, die in eine amorphe Matrix eingebettet sind, hoch effizient. Nanostrukturen von 1-2 nm Durchmesser und deren Eigenschaften können somit vollständig in einem Computermodell untersucht werden. Zu den untersuchten Systemen gehören a) Kohlenstoff-Domänen in amorphen SiCN, SiCO und SiBCN, b) kristallines Si und SiC in amorphem Si02 und SiCO und c) Metallcluster in amorphem Si(>2 und SiCN. Schwerpunkt der Untersuchungen liegt auf einem Verständnis der der Grenzschicht zwischen Prezipitat und amorpher Matrix und deren Einfluss auf Bildungsmechanismen der Nanostrukturen sowie der Charakterisierung der Materialien durch Parameter-freie Berechnung geeigneter beobachtbarer physikalischen Größen.

Prof. Dr. -Ing. Johannes Wilden

Technische Universität Ilmenau              Fachgebiet Fertigungstechnik      Ilmenau

Werkstoff- und Technologieentwicklung zur Herstellung von Komponenten für die Mikrosystemtechnik mit nanostrukturiertem Gefüge

Um das Potential neuer nanostrukturierter Werkstoffe für die Mikrosystemtechnik nutzen zu können, bedarf es der ganzheitlichen Entwicklung des Werkstoffdesigns und der Herstellungstechnologie. Hierzu sind einerseits das molekulare Design der präkeramischen Vorstufe im Hinblick auf die geforderten Bauteileigenschaften und andererseits der Formgebungsprozess zu erforschen. Hierbei soll einer möglichen Massenproduktion dadurch Rechnung getragen werden, dass die Bauteile im Formgebungsprozess sowohl ihre Endgeometrie als auch ihre Gebrauchseigenschaften erhalten. Zur Formgebung ist vorgesehen, mit mehreren Laserstrahlen, in deren Kreuzungspunkt die Aktivierungsenergie für eine kinetisch kontrollierte Synthese berschritten wird, das Bauteil in den Precursor zu schreiben". Hierbei wird zum einen ausgenutzt, dass durch einen gepulsten Laser die Energiezufuhr zeitlich moduliert werden kann, und die entstehende Bauteiloberfälche selber wieder als Katalysator für die weitere Synthese wirkt. Auf diese Art und Weise können dann Bauteile mit beliebigen Freiformflächen höhster Genauigkeit, die auf Grund des dichten Gefüges im Betrieb auch bei erhöhter Temperatur nicht schrumpfen, eigenspannungsfrei hergestellt werden.

Prof. Dr. Thomas J. J. Müller

Lehrstuhl für Organische Chemie                   Institut für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie     Heinrich-Heine- Universität Düsseldorf

Prof. Dr. Werner R. Thiel

Technische Universität Kaiserslautern Fachbereich Chemie Kaiserslautern

Kovalent aufgebaute Hybridmaterialien aus Oligophenothiazinen und mesoporösem Silica: Neuartige nanaoskalige Feststoffe für Sensoren, Elektronik und Photonik

Projektthema sind neuartige Nanomaterialien, die durch kovalente Anbindung von Oligophenothiazinen in den Poren von geordneten mesoporösen Materialien (z. B. MCM-41) erhalten werden. Oligophenothiazine sind strukturell wohldefinierte redoxaktive Funktionseinheiten mit multiplen Oxidationsstufen, die sich in ersten Untersuchungen als gute molekulare Lochtransporter und Emitter sowie als Donoren in PET-Systemen bewährten. In diesem interdisziplinären Projekt ist geplant, die organische Komponente durch in-situ-Synthese direkt und in geordneter Weise in das Hybridmaterial einzubauen. Neben Arbeiten zum Einfluss der molekularen Struktur der funktionalen organischen Moleküle auf die Strukturbildung des mesoporösen Silica stehen Untersuchungen der oligophenothiazin-intrinsischen Eigenschaften für die Entwicklung neuer elektrochromer und photochromer Nanomaterialien und Etektrodenbeschichtungen im Vordergrund des Projektes. Durch die speziellen photochemischen und elektronischen Eigenschaften der Oligophenothiazine, die z. B. bei Anregung unter Elektronentransfer stabile Radikalkationen bilden, eröffnen sich für diese Hybridmaterialien mögliche Anwendungen in der Sensortechnik, Photonik und Elektronik.

Dr. Christian Pithan

Forschungszentrum Jülich GmbH          Institut für Festkörperforschung Jülich

Synthese und Charakterisierung kolloidaler Suspensionen über mizellare Lösungen zur Abscheidung nanoskalig heterogener dielektrischer Schichten

Die Realisierung, Untersuchung und Optimierung dielektrischer Schichten mit einer Dicke im Bereich von 100 nm bis zu 3 nm bestehend aus nanoskaligen Körnern einer Perowskitphase, die von einer Matrix mit gezielt abweichender Zusammensetzung umgeben sind, steht im Mittelpunkt als übergeordnetes Ziel des vorliegenden Forschungsvorhabens. Hierzu sollen kolloidale Suspensionen über mizellare Lösungen hergestellt und mit anderen molekulardefinierten Vorstufen derart zu Hybridlösungen kombiniert werden, dass durch Abscheidungsverfahren mesoskopische Schichten mit gezielt eingestellter, nanoskaliger Gefügeheterogenität und neuartigem Eigenschaftsprofil (optimierte Dielektrizitätskonstante bei gleichzeitig kontrolliertem Temperaturgang derselben) ermöglicht werden können. Die vorgesehenen wissenschaftlichen Arbeiten konzentrieren sich hierbei auf die Herstellung verschiedener Phasensysteme, die Untersuchung des Einflusses von Mikroemulsionschemie, primärer Größe und Verteilung der Partikel in den Suspensionen sowie des Füllgrades auf die Stabilität und Verarbeitbarkeit der sich ergebenen Hybridlösungen und der hieraus hergestellten Schichten, ihrer Struktur sowie der funktioneilen Eigenschaften.

Prof. Dr. -Ing. Andreas Roosen

Friedrich-Alexander- Universität Erlangen-Nürnberg Institut für Werkstoffwissen- schaften             Erlangen

Rheologie, Fließ- und Packungsverhalten von mizellaren Hybrid-Suspensionen

Die Realisierung, Untersuchung und Optimierung dielektrischer Schichten mit einer Dicke im Bereich von 100 nm bis zu 3 nm bestehend aus nanoskaligen Körnern einer Perowskitphase, die von einer Matrix mit gezielt abweichender Zusammensetzung umgeben sind, ist übergeordnetes Ziel des vorliegenden Forschungsverbundes. Zur Herstellung derartiger mesoskopischer Schichten bestehen keine wirtschaftlichen Verfahren. Um diese technologische Lücke zu schließen, sollen Nanopartikel-haltige Suspensionen mit erhöhten Feststoffanteilen über das Spin-Coating-Verfahren aufgetragen werden. Hierzu werden von den Projektpartnern in Aachen und Jülich neuartige Hybrid- Lösungen synthetisiert, die bereits Nanopartikel enthalten und die gleichzeitig die gezielte Einstellung der nanoskaligen Gefügeheterogenität erlauben. Ziel des vorliegenden Projektes ist es, über die wissenschaftliche Auseinandersetzung mit der Rheologie dieser Hybrid-Lösungen ihr Verarbeitungsverhalten beim Spin- Coating- Prozess zur Herstellung von mesoskopischen Schichten zu verstehen und zu steuern. In Abhängigkeit der zu variierenden Charakteristika der Hybrid-Suspensionen sowie der verfahrenstechnischen Parameter des Spin-Coating-Verfahrens soll erarbeitet werden, wie die partikelhaltigen Systeme in ihrer Rheologie beeinflusst werden können, um mit einer möglichst geringen Anzahl von Beschichtungsschritten zu dem gewünschten Schichtdickenbereich zu kommen und um die Schichteigenschaften wie Homogenität, Rissfreiheit und hohe Packungsdichte zu erreichen. Wichtiger Teil dieser Arbeiten ist die Einbeziehung der von den Projektpartnern bestimmten Eigenschaften der thermisch behandelten Schichten. Im 3. und 4. Jahr sollen diese Hybrid- Suspensionen in Erlangen für den Siebdruck, Folienguss und u-Kontaktdruck modifiziert werden.

Dr. Theodor Schneller

Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen                 Lehrstuhl II - Elektrokeramische Materialien                Aachen

Neuartige CSD-Prozessrouten mit mizellaren Hybridlösungen zur Deposition dielektrischer Schichten mit maßgeschneiderter, nanoskaliger Heterogenität

Ziel der Untersuchungen des vorliegenden Forschungsvorhabens ist die Herstellung und das wissenschaftliche Verständnis von Keramikschichten im Dickenbereich von 0,1 µm bis 3 µm, welche eine maßgeschneiderte, nanoskalige Gefügeheterogenität zur Steuerung der dielektrischen Eigenschaften aufweisen. Um diese bisher nicht ökonomisch und technologisch erschließbare Schichtdicken- Eigenschafts-Lücke zu schließen, sollen in diesem Vorhaben durch Kombination von molekularen Precursor- Lösungen einer Zusammensetzung mit molekular definierten, mizellaren Suspensionen von nanoskaligen Keramikpartikeln einer gezielt anderen Zusammensetzung zunächst chemisch stabile, neuartige Hybridlösungen hergestellt werden. Nach Abscheidung über einen modifizierten CSD-Prozess mit anschließendem Ausbrand der organischen Matrix, sollen mit wenig Beschichtungsschritten Nanokomposite mit möglichst hoher Dielektrizitätszahl bei gleichzeitig kontrolliertem Temperaturgang im oben genannten Schichtdickenbereich präpariert und morphologisch, sowie elektrisch charakterisiert werden. Die Hybridlösungen sollen gezielt auf ihr Zersetzungs- und Phasenbildungsverhalten hin untersucht werden, um in der zweiten Projekthälfte ein experimentell gestütztes Modell für den Phasenbildungsmechanismus und die daraus resultierenden Eigenschaften abzuleiten.

Prof. Dr. Ralf Riedel

Technische Universität Darmstadt    Fachbereich 11 - Material - und Geowissenschaften Darmstadt

Koordinierungsaufgaben im SPP 1181

Das Schwerpunktprogramm SPP NANOMAT erfordert eine interdisziplinäre Zusammenarbeit von Wissenschaftlern aus den Bereichen der Materialsynthese und -entwicklung, Prozessentwicklung, Charakterisierung sowie einschließlich der Modellierung der Werkstoffsysteme. Dieses Projekt umfasst die Koordinierung des Schwerpunktprogramms. Es soll den Sprecher des SPP bei der Organisation der Kooperationen und Integration der beteiligten Wissenschaftler und Industriepartner unterstützen. Nach dem Start des SPP ist es beabsichtigt, projektbezogene Arbeitskreise zu bilden, die sich schwerpunktmäßig mit der Materialsynthese, Charakterisierung, Verarbeitungstechnologie und der Integration technisch-industrieller Fertigungsprozesse befassen mit dem Ziel, neuartige Produktentwicklungen anzustoßen. Durch regelmäßige Arbeitstreffen und Workshops sollen  Synergieeffekte erzielt werden, die zu einer intensiven Kooperation beitragen. Zum Aufbau eines internationalen, wissenschaftlichen Netzwerks sollen zudem die Zusammenarbeit und der Austausch von Wissenschaftlern mit ausländischen Kooperationspartnern gefordert werden. Um den Erfahrungsaustausch zu intensivieren, ist ein Informationsnetzwerk in Form einer aktiven Internetpräsenz (www.spp-nanomat.de) geplant.