Intelligente mikrogelbasierte Membranen für verbesserte elektrochemische Zellen und Anwendungen in der Katalyse – vom Verständnis der Struktur zu maßgeschneiderten Devices

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Hellweg
• Fachliche Zuordnung: Präparative und Physikalische Chemie von Polymeren
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 505656154

Katalyse, Energiespeicherung und -Umwandlung sind gegenwärtig von größter gesellschaftlicher Relevanz. Leider sind die elektrochemischen Potenziale im Grunde seit einem Jahrhundert bekannt und können nicht wesentlich verbessert werden. Die Möglichkeit, die Speicherkapazität und den Stromfluss zu erhöhen, ist daher nur durch eine Minimierung der Zellen möglich. Dies erfordert die Entwicklung von intelligenten Membranen mit Dicken im Nanobereich. Darüber hinaus sollten solche Membranen über intelligente Eigenschaften verfügen, die es ermöglichen, den Ionenfluss durch externe Stimuli zu steuern und die außerdem intrinsische Sicherheitseigenschaften aufweisen, z. B. eine Selbstregulierung des Ionenflusses (Stroms) bei Überhitzung. Ähnliche Aspekte gelten für die Katalyse durch Nanopartikel (NP), die aufgrund der großen spezifischen Oberfläche der NPs sehr effektiv ist. Allerdings lässt sich die Aktivität der NP nur schwer kontrollieren und die nackten Partikel sind nur schwer vom Produkt zu trennen. Im Zusammenhang mit intelligenten Membranen hat der deutsche Partner kürzlich eine Methode entwickelt, um Mikrogele zu makroskopischen, freistehenden Membranen zu vernetzen, die einen temperaturgesteuerten Widerstand aufweisen. Die Mikrogele werden durch Copolymerisation von klassischen Acrylamiden und von mit Photo- oder Elektronenstrahlen vernetzbaren Comonomeren hergestellt. Derzeit sind jedoch viele Details der lokalen Struktur dieser Mikrogele unbekannt, insbesondere wie die Comonomere (bzw. Nanopartikel) räumlich verteilt sind und wie ihre Verteilung die mechanischen, resistiven oder katalytischen Membraneigenschaften beeinflusst. In einem früheren gemeinsamen deutsch-französischen Projekt haben die Gruppen aus Montpellier und Bielefeld Instrumente entwickelt, die es ermöglichen, die Struktur solcher Copolymer-Mikrogele mit Hilfe von Neutronenstreumethoden, die auf Isotopensubstitution und Computersimulationen beruhen, im Detail zu bestimmen. Das vorliegende Projekt zielt darauf ab, dieses Wissen zu nutzen und zu erweitern, um Struktur-Eigenschafts-Beziehungen für intelligente Mikrogelmembranen zu etablieren. Wir werden Kombinationen von Streu-, Simulations- und Bildgebungsmethoden auf speziell entwickelte Mikrogelpartikel anwenden, die verschiedene Comonomere und katalytisch aktive Nanopartikel enthalten, um die Bildung von freistehenden und vernetzten Filmen zu untersuchen. Anschließend wird eine ähnliche Analyse nach der Filmbildung durchgeführt und mit den Transporteigenschaften (bzw. den katalytischen Eigenschaften) korreliert. Auf dieser Grundlage werden die Partner, sozusagen als "proof-of-principle", entweder erste intelligente elektrochemische Zellen oder Prototypen für Durchflussreaktoren mit kontrollierbarer katalytischer Aktivität konstruieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartner: Dr. Julian Oberdisse