Anwendung der Nanowissenschaft in der Energietechnik 1. 50 Jahre Nanotechnologie 2. Methoden zur...
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Anwendung der Nanowissenschaft in der Energietechnik 1. 50 Jahre Nanotechnologie 2. Methoden zur Untersuchung von Nano-Strukturen 3. Verfahren zur Herstellung
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