Chemie der Materialien für Energieanwendungen (W3) Prof. Dr. Martin Oschatz Forschungsschwerpunkte Die Forschung in der AG Oschatz widmet sich der Synthese und Charakterisierung nanostrukturierter und poröser Materialien für Anwendungen in der heterogenen Elektrokatalyse, Adsorption und Energiespeicherung. Syntheseverfahren auf der Basis molekularer Vorstufen erlauben die anwendungsorientierte Abstimmung der Materialien hinsichtlich chemischer Architektur, Partikelgröße, Morphologie und Porosität. Das Ziel der Forschung ist die Untersuchung von Struktur-Wirkungsbeziehungen mittels maßgeschneiderter kohlenstoffbasierter Materialien, deren definierte Strukturen experimentelle Rückschlüsse auf die fundamentalen Mechanismen im Bereich der elektrochemischen Energiespeicherung oder verschiedener Adsorptionsphänomene zulassen. Elektrochemische Energiespeicherung: Negative Elektroden in der Na-Batterie, Energiespeichermechanismen in Superkondensatoren Elektrokatalyse: Elektrochemische Fixierung von Stickstoff und Synthese von Elektrokatalysatoren Gasadsorption: Design von porösen Materialien für selektive Adsorption von CO2 oder H2O Im Bereich der elektrochemischen Energiespeicher wird insbesondere die Natrium-Ionenbatterie als besonders nachhaltige Option sowie als Alternative zur Lithium-Ionen Batterie diskutiert, da die benötigten Rohstoffe nahezu uneingeschränkt verfügbar sind. Unsere Forschung fokussiert sich darauf, die in der negativen Elektrode ablaufenden Speicherprozesse zu rationalisieren und darauf aufbauend Materialien zu synthetisieren, deren Energiedichte über die aktueller Materialien hinausgeht. Die Speicherung von Natrium-Ionen unterscheidet sich wesentlich von den gut untersuchten Interkalationsmechanismen von Lithium-Ionen in GraElektrochemische Energiespeicherung: Mechanismen der elektrochemischen Speicherung von Natrium phit. Um effizient Natrium speichern zu können, werden sogenannte geschlossene Poren benötigt, d.h. die Anwesenheit von internen Kavitäten im Kohlenstoff, die weder für Gase, noch für Elektrolyte zugängig sind, dafür aber von Na-Ionen erreicht werden können (Abb. 1). Die AG Oschatz widmet sich der Synthese von Materialien mit exakt diesen Strukturmotiven und konnte so bereits die Temperaturabhängigkeit der Ausbildung solcher geschlossener Poren mittels Modellmaterialien demonstrieren [1]. Ein Fokus der AG Oschatz liegt auf der Untersuchung der grundlegenden Lade- und Entlademechanismen mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie [2]. Ein weiterer Forschungsschwerpunkt liegt auf der artifiziellen Synthese von Anodenmaterialien mit geschlossener Porosität mittels hochspezialisierter Verfahren wie der chemischen Gasphasenabscheidung zum gezielten Verschluss vormals offener Porosität [3]. [1] Schutjajew, K., Pampel, J., Zhang, W., Antonietti, M., Oschatz, M. (2021): Influence of Pore Architecture and Chemical Structure on the Sodium Storage in Nitrogen‐Doped Hard Carbons. Small, DOI: 10.1002/smll.202006767. [2] Schutjajew, K., Tichter, T., Schneider, J., Antonietti, M., Roth, C., Oschatz, M. (2021): Insights into the Sodiation Mechanism of Hard Carbon-like Materials from Electrochemical Impedance Spectroscopy. Phys. Chem. Chem. Phys., DOI: 10.1039/d1cp00610j. [3] Schutjajew, K., Giusto, P., Härk, E., Oschatz, M. (2021): Preparation of Hard Carbon/Carbon Nitride Nanocomposites by Chemical Vapor Deposition to Reveal the Impact of Open and Closed Porosity on Sodium Storage. Carbon, DOI: 10.1016/J.CARBON.2021.09.051. Abb. 1. Ladekurve einer typischen negativen NatriumIonenbatterieelektrode. Das Material ist besonders geeignet, wenn besonders viel Ladung im Spannungsplateau (grün) gespeichert wird. 104 — FORSCHUNG
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