Multiskalenmodellierung der Wasserstoffadsorption und -aggregation an neuartigen zweidimensionalen Materialien auf Nickelbasis

• Antragsteller: Professor Dr. Andrey V. Solovyov
• Fachliche Zuordnung: Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 558998651

Wasserstoff wird von nationalen und internationalen Energieagenturen als vielversprechender und umweltfreundlicher Brennstoff anerkannt. Niedrigdimensionale Kohlenstoffmaterialien (Graphen, Nanoröhren), die mit Leicht- und Übergangsmetallen dotiert sind, wurden aufgrund ihrer großen Oberfläche und der Fähigkeit von Metallatomen, mit Wasserstoffmolekülen zu interagieren, als Basis für Wasserstoffspeichersysteme vorgeschlagen. Diese Materialien sind jedoch noch nicht für eine breite praktische Anwendung optimiert, und die Suche nach neuen Materialien für Wasserstoffspeichersysteme ist daher anspruchsvoll. Das Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung eines theoretischen Verständnisses der Mechanismen der Adsorption, Diffusion, Chemie, Aggregation und Desorption von Wasserstoff auf/von neuartigen zweidimensionalen (2D) Materialien auf Nickelbasis – Monoschichten NiX2 (X = O, S, Se, Cl und Br). Dieses Ziel wird durch einen computergestützten Multiskalenansatz erreicht, der Dichtefunktionaltheorie (DFT), klassische und reaktive Molekulardynamik sowie Methoden der stochastischen Dynamik kombiniert. Der vorgeschlagene Multiskalenansatz ermöglicht die Beschreibung der wichtigsten physikalisch-chemischen Mechanismen der Wasserstoffadsorption und -aggregation auf Nanomaterialoberflächen. Dabei werden sowohl kurzzeitige/(sub)nanoskopische Quanteneffekte (z.B. die Erzeugung atomarer Teilladungen und die Veränderung der elektronischen Bandstruktur der Materialien durch Adsorbate) als auch Phänomene auf der Langzeit- bzw. Nano- und Mesoskala (z.B. H2-Dissoziation und die Bildung neuer kovalenter Bindungen, stochastische Prozesse der Wasserstoffdiffusion und -aggregation zu Nanostrukturen auf einer Oberfläche) berücksichtigt. Im Rahmen des Projektes werden die Einsatzmöglichkeiten der neuartigen 2D-Materialien auf Nickelbasis als Wasserstoffspeichersysteme hinsichtlich der wichtigsten physikalisch-chemischen Eigenschaften (Adsorptionsenergie, Reaktionsbarrieren, Adsorptions- und Desorptionsraten, Desorptionstemperatur und -druck, thermische Stabilität, erreichbare Wasserstoffspeichermengen) untersucht. Die erzielten Ergebnisse werden an experimentelle Gruppen im Bereich der Synthese von Nanomaterialien weitergegeben, die an der Synthese, Charakterisierung und technologischen Anwendung der untersuchten Systeme interessiert sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen