Entwicklung innovativer Phasenwechselmaterial-MXene-Aerogel-Hybride: Verbesserung des Wärmemanagements und der Formstabilität durch interpenetrierende Netzwerke

• Antragsteller: Majid Haghgoo, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 578468130

Dieses Projekt entwickelt einen neuartigen Ansatz für Phasenwechselmaterial (PWM)-Verbundwerkstoffe durch die Integration von MXen-Aerogelen mit einem interpenetrierenden vernetzten Polymernetzwerk. Herkömmliche PWMs, die häufig zur thermischen Energiespeicherung in Anwendungen wie erneuerbaren Energien, Gebäudedämmung und Elektronikkühlung eingesetzt werden, weisen wesentliche Einschränkungen auf, wie geringe Wärmeleitfähigkeit, Austritt während Phasenübergängen und niedrige mechanische Stabilität. Diese Forschung stellt eine bahnbrechende Materialarchitektur vor, die diese Herausforderungen durch die Kombination der außergewöhnlichen thermischen und mechanischen Eigenschaften von MXen-Aerogelen mit einem robusten Polymernetzwerk zur Einschließung des PWMs bewältigt und damit verbesserte Leistung und Haltbarkeit gewährleistet. Die Kerninnovation dieser Arbeit ist die Entwicklung einer multifunktionalen Hybridstruktur. MXen-Aerogele – bestehend aus zweidimensionalen Carbid- und Nitridschichten – werden als ultraleichtes, jedoch hochleitfähiges thermisches Gerüst genutzt. Ihr verbundenes poröses Netzwerk bietet effiziente Wärmeübertragungswege, nahezu 100% photothermischen Umwandlungswirkungsgrad und starke Lichtabsorption im Nahinfrarotbereich, was sie ideal für die Solarenergienutzung macht. Die Einbindung eines vernetzten Polymernetzwerks verstärkt den Verbundwerkstoff zusätzlich durch chemische Verankerung der PWM-Moleküle und verhindert Austritt selbst unter extremen Heizbedingungen. Diese interpenetrierende Struktur verbessert deutlich die Formstabilität, mechanische Integrität und thermische Ansprechzeit im Vergleich zu herkömmlichen PWM-Verbundwerkstoffen. Ein wesentlicher Aspekt dieser Forschung ist die systematische Optimierung der Materialzusammensetzung und Verarbeitungstechniken zur Erreichung überlegener Leistungsmerkmale, einschließlich PWM-Beladungen von über 95%, verbesserter Wärmeleitfähigkeit (20-fach höher als reine PWMs) und Langzeitstabilität über 500 thermische Zyklen. Das Projekt wird die molekularen Wechselwirkungen untersuchen, die die PWM-Retention innerhalb des Aerogel-Netzwerks bestimmen, sowie das thermodynamische und mechanische Verhalten des Verbundwerkstoffs unter realen Betriebsbedingungen. Das erwartete Ergebnis ist eine neue Klasse von Hochleistungs-PWM-Verbundwerkstoffen mit unübertroffenen Wärmemanagementfähigkeiten, die Durchbrüche in Energiespeichertechnologien ermöglichen. Diese Materialien werden einen transformativen Einfluss auf Anwendungen haben, von der solarthermischen Energiespeicherung und intelligenten Baumaterialien bis hin zur fortschrittlichen Elektronikkühlung und tragbaren Temperaturregelung. Durch die Überbrückung der Lücke zwischen grundlegender Materialwissenschaft und angewandten Energielösungen legt diese Forschung den Grundstein für nachhaltige thermische Energiespeichersysteme der nächsten Generation.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen