Projekte

Forschungsschwerpunkte in der Vergangenheit

1. Allgemeines

Die Forschungsschwerpunkte des Lehrstuhlinhabers waren in der Vergangenheit vor allem in verschiedenen Bereichen der anorganischen Festkörperchemie angesiedelt. Ein Interessenschwerpunkt lag dabei in der Präparation und Charakterisierung von binären und ternären Verbindungen der Elemente der 6. Hauptgruppe Q mit f-Elementen, wie den Seltenen Erden oder den Actinoiden M, in denen homonukleare Kontakte Q-Q und/oder M-M auftreten.

Durch die Tätigkeit in der Fachrichtung „Technische Chemie“ ab Juli 2004 traten zunehmend Schwerpunkte aus dem Bereich der heterogenen Katalyse in den Vordergrund der Forschungstätigkeit.

2. Anorganische Festkörperchemie

A. Strukturuntersuchungen an Polychalkogeniden

Ziel der Untersuchungen war es, basierend auf röntgenographischen Strukturanalysen und unterstützt durch spektroskopische Untersuchungen sowie theoretische Rechnungen, eine Systematik zur Beschreibung der Stabilitätsbereiche bestimmter Strukturelemente zu erarbeiten. Einige Beispiele von untersuchten Verbindungen sind Er₂SeSiO₄ [5], NaErSe₂ [15], ErSeBr, ErSeI [15], Er₂Te₃ [21], Er_0.85Te [20], Er_2.15Te₃I [20], Th₇Te₁₂, US₃, UFe₈S₁₇ [14], UTe₂ [9], U₂Te₅ [8], UTe₃ [7], U_0.9Te₃ [13], ZrTe₃ [19], TlTe [25][29][36], LaTe₂ [31], CeTe₂ [32], PrTe₂ [33], NdTe_2-x [37], SmTe_2-x, K₂UTe₃ [26][27], zahlreiche Verbindungen der Formeltypen ALnTe₄ [46][47], ALnTe₂, ALn₃Te₈ (A = K, Rb, Cs und Ln = Seltenerd-Metall), Alkalimetalltelluride Rb₂Te [45], K₂Te, Interalkalimetalltelluride MM´Te wie z.B. CsNaTe (+ 8 weitere Verbindungen) usw.

Kristallstruktur von KNdTe₄

B. Materialwissenschaftliche Aspekte

Die Polychalkogenide interessieren besonders deshalb, da diese von technischer Bedeutung sind. So sind Polychalkogenidgläser wichtige Materialien für nichtlineare Optiken, für IR-Lichtleiter, für optische Schalter, optische Schaltelemente usw.. Aufgrund der amorphen Natur dieser Verbindungen sind die Struktur-Eigenschaftsbeziehungen nur ungenügend bekannt. Gut charakterisierte kristalline Polychalkogenide können als Modellsubstanzen dienen, die die Struktur-Eigenschaftsbeziehungen beleuchten.

C. Untersuchungen der physikalischen Eigenschaften

Ein besonderes Anliegen war es, die dargestellten Verbindungen auch bezüglich ihrer physikalischen Eigenschaften mit den unterschiedlichsten röntgenographischen und spektroskopischen Methoden zu charakterisieren, um zu einem tiefer gehenden Verständnis der homonuklearen Kontakte zu gelangen. Unter den röntgenographischen Methoden wurde ein breites Spektrum unterschiedlichster Methoden eingesetzt, reichend von Pulvermethoden bei hohen und tiefen Temperaturen, hohen Drücken in Diamantstempelzellen DAC, über die Einkristalldiffraktometrie bis hin zur Charakterisierung dünner Filme mittels Beugung unter streifendem Einfall GID, der Reflektometrie unter streifendem Einfall GIXR oder der Totalreflexions-Röntgenfluoreszenzanalyse TRXF. Für die Messungen unter streifendem Einfall wurde eigens eine kleine UHV-Kammer mit Be-Dom und Hochspannungs-Elektronenstoßheizung für ein Seifert MZ6 Vierkreisdiffraktometer entwickelt und gebaut. An spektroskopischen Methoden  wurden beispielsweise UV- und IR-Spektrometer zur optischen Bestimmung der Bandkanten in Halbleitern (Kooperation mit der Fa. BASF - Pigmentforschung) sowie Rastersondentechniken (AFM und STM) eingesetzt. Weiterhin wurden NMR-Spektrometer für CPMAS-NMR-Messungen genutzt. Auch ergab sich eine über Jahre dauernde sehr enge Zusammenarbeit mit dem in Saarbrücken ansässigen Institut für Experimentalphysik, mit deren Hilfe Photoelektronen- (Prof. Dr. S. Hüfner) und Raman-spektroskopische Untersuchungen (Prof. Dr. H.-G. Unruh) möglich waren. Durch Mitarbeiter wurden über viele Jahre hinweg Photoelektronenspektrometer des AK Prof. Hüfner betrieben und instand gehalten (VG MProbe und VG Escalab MKII). Auch durch die Einbindung in den Sonderforschungsbereich SFB 277 ergaben sich weitere Kooperationen. Ebenfalls von großem Nutzen waren Kontakte zum MPI für Festkörperforschung in Stuttgart, um Leitfähigkeitsmessungen, magnetische Messungen u.a.m. durchführen zu können. Gerade zur Charakterisierung der Polytelluridverbindungen erwiesen sich die Möglichkeiten zu ¹²⁵Te-Mößbauer-spektroskopischen Untersuchungen (Prof. Dr. G. Langouche, Katholieke Universiteit Leuven, Belgien) und XANES-Messungen (Prof. Dr. J. Hormes, Bonn) als sehr wertvoll. Zur Bestimmung von magnetischen Strukturen wurden Kontakte zu Arbeitsgruppen mit der Möglichkeit der Durchführung von Neutronenbeugungsmessungen geknüpft (Institut von Laue-Langevin, Kernforschungsanlage Jülich).

D. Theoretische Rechnungen

ELF-Schnitte im Koordinationspolyeder von UTe₂

Hierzu wurden Bandstrukturrechnungen auf ab initio-Niveau z.B. unter Verwendung der Dichtefunktionaltheorie in der lokalen Dichte-Näherung (LDA) im Rahmen der skalar-relativistischen Linearen Muffin-Tin Orbital-Methode (LMTO) mit dem Programmpaket von Andersen et al. (MPI Stuttgart) sowie unter Verwendung des Full Potential Linearized Augmented Plane Wave (FP-LAPW) Pakets (WIEN) von Blaha et al. (Universität Wien) zur Berechnung von Kristalleigenschaften durchgeführt. Zur Diskussion der chemischen Bindung wird z.B. auch die ElektronenLokalisierungs­Funktion ELF berechnet und diese hinsichtlich ihrer Topologie charakterisiert. Für die Geometrieoptimierung und Gesamtenergieberechnung hat sich zur Begleitung der Hochdruckuntersuchungen in Diamantstempelzellen das plane-wave pseudo-potential Programm CASTEP (Berechnung von Zustandfunktionen) bewährt.

E. Reaktionskinetische Untersuchungen

Ein weiterer wichtiger Interessenschwerpunkt ist die reaktionskinetische Beobachtung festkörperchemischer Reaktionen mit in situ-Methoden. Hierzu wurde ein Drittmittel-Antrag im DFG-SPP "Reaktivitäten von Festkörpern" auf eine UHV-MBE-Beschichtungsanlage gestellt, da dieses Ziel nur durch Verwendung von dünnen Schichten (im Å-Bereich) als Edukten unter Ultrahochvaku­umbedingungen verwirklicht werden konnte. Durch Ausschalten langer Diffusionswege als Hemmnis der Reaktion bei niedrigen Temperaturen können auch kinetisch statt nur thermodynamisch kontrollierte Reaktionsprodukte entstehen. Auf diesem Wege sollten auch neue, metastabile Verbindungen zugänglich sein, deren Bildung mit in situ-Methoden wie der Photoelektronenspektroskopie und der Röntgenbeugung beobachtet werden können.

UHV-Bedampfungsapparatur

3. Aktivitäten im Bereich der Technischen Chemie

Seit Juli 2004 lag der Hauptschwerpunkt der Tätigkeit im Bereich der Technischen Chemie, besonders auf dem Feld der heterogenen Katalyse, und hier im Speziellen der kombinatorischen Chemie unter Einsatz von Hochdurchsatzmethoden. Spezialität ist das Screening von Katalysatorbibliotheken mittels der emissionskorrigierten IR-Thermographie. Die Projekte beschäftigten sich z.B. mit Katalysatoren für die CO-Oxidation in der Atemschutztechnik, für Sensorsysteme für brennbare Gase oder für Brennstoffzellenanwendungen und der Abgaskatalyse in Automobilsystemen wie dem Dieselpartikelfilter. Durch die Projektleitung in einem BMBF-geförderten Projekt mit dem Titel „Katalytisch aktive Nanowerkstoffe für Oberflächen in Verbrennungsmotoren und im Abgasstrang: Nanokat“ wurde u.a. mit den Firmen VW, Eberspächer und Degussa zusammengearbeitet. Ziel eines DFG-geförderten Projektes war die gezielte Synthese nanoskaliger, schmalbandiger Chalkogenide als Katalysatoren und Materialien z.B. für die Photokatalyse. In einem weiteren Projekt sind wir den Mechanismen der Bildung chalkogenidischer und polychalkogenidischer Nanopartikel bei der Hochtemperatursynthese in hochsiedenden Lösemitteln wie Trioctylphosphin (TOP) nachgegangen. Auch hier entwickeln wir Parallelreaktorsysteme zur automatisierten Herstellung der Nanopartikel, um gegenüber der manuellen Synthese Störeinflüsse, die sich negativ auf die Breite der Partikelgrößenverteilung auswirken, zu eliminieren. Diese können z.B. in Dünnschicht- oder Hybrid-Solarzellen Anwendung finden.

TEM-Aufnahme von CDS-Nanopartikel über HT-Synthese

In zwei Kooperationsprojekten mit der Umicore AG wurden edelmetallfreie Katalysatoren für die CO-Entfernung aus Wasserstoff-haltigen Feedgasen für die Brennstoffzelle sowie Elektrodenkatalysatoren für Brennstoffzellenanwendungen mittels kombinatorischer Verfahren gesucht. Im Mai 2009 ist das BMBF-Projekt "Effizienzsteigerung bei der Chlorherstellung" mit hinzugekommen. Hierbei ging es um die kombinatorische Suche nach neuen, stabilen und aktiven Katalysatoren für die Umwandlung von Sole oder Chlorwasserstoff in Chlor. Das Projekt teilte sich in zwei Teilprojekte auf, die elektrolytische Spaltung chlorid-haltiger Lösungen mittels metallisch-leitender Oxidkatalysatoren und in den Deacon-Prozess, d.i. die Gasphasenumwandlung von Chlorwasserstoff mit Sauerstoff in Chlor und Wasser.

Labor-Inkjet-Printing-System Autodrop

In den letzten Jahren hat sich das Forschungsgebiet auch auf Inkjet-Printing Techniken fokussiert (Autodrop System der Microdrop Corp.). Diese Technik bietet für die Hochdurchsatzsynthese von Katalysatorbibliotheken zahlreiche Vorteile: hohe Flexibilität z.B. in den chemischen Zusammensetzungen der Lösungen, hohe Reproduzierbarkeit der Tropfenerzeugung u.a.m., so dass die Methode sehr gut geeignet ist, um quasi-kontinuierliche Gradientenbibliotheken zu erzeugen. In diesen ist die Probendichte sehr hoch (ein typischer Tropfendurchmesser bewegt sich um 30-70µm, d.s. 20-150pL Volumen), d.h. eine deckglasgroße Fläche enthält mehrere tausend verschiedene Zusammensetzungen, die zugleich auf ihre Eigenschaften getestet werden könnten. Im Bereich der Katalyse erfolgt die Testung z.B. mittels IR-Thermographie mit Nahlinse, andere Screeningtechniken sind angedacht. Für die IR-Thermographie müssen die verwendeten Substrate porös sein, damit ein genügend großer Umsatz und damit eine genügend große Reaktionswärme erzielt werden kann. Zu diesem Zweck haben wir uns das Gebiet der TiO₂ Nanotuben durch Anodisierung von Titanfolie erschlossen, in deren Poren unterschiedliche Materialien einimprägniert werden können.

TiO₂-Nanotuben durch anodische Oxidation

Aktuell laufen derzeit mehrere Projekte zusammen mit Industriepartnern: die Themengebiete sind die katalytische Methanoxidation in Biogasmotorabgasen (Fa. Heraeus), katalytische Dieselrußverbrennung (Fa. Treibacher), sowie die Entwicklung Elektrokatalysatormaterialien für PEM-Brennstoffzellen (Fa. Umicore).

Weitere Themengebiete, die in Dissertationen, Diplomarbeiten oder Staatsexamensarbeiten aktuell bearbeitet werden, sind die katalytische Stickoxidentfernung aus Autoabgasen (NH₃-SCR), Synthese und Charakterisierung von nanoskaligen grenzflächenmodifizierten Chalkogeniden (z.B. für Solarzellenanwendungen), sowie die Suche nach neuen thermochemischen Speichermaterialien.

Kooperationen mit Industriepartnern, z.B.:

• BMBF "DelLead" Projekt: Bleifreie Piezokeramiken für die Aktorik; Partner: Siemens AG, Bosch GmbH, FhG/IKTS Dresden, Argillon GmbH, Uni Karlsruhe, Uni Hamburg, FKZ03X4002E
• DBU Projekt: Entwicklung einer katalytischen Nachverbrennung zur prozessintegrierten Abluftreinigung mittels elektrisch regenerierten Aktivkohlefasergeweben; Partner: upt GmbH, NANO-X GmbH
• BMWA Projekt: Energieeinsparung durch Abluftreinigung mittels Adsorption mit elektrisch regenerierten Aktivkohlefasergeweben und integrierter katalytischer Oxidation der bei der Desorption freigesetzten und angereicherten Schadstoffe; Partner: upt GmbH, NANO-X GmbH, FKZ 0327338A
• Projekt: CO Methanisierungskatalysatoren für Brennstoffzellen, Partner: Umicore AG
• Projekt: Kombinatorische Entwicklung und Charakterisierung von Elektrokatalysatoren für Brennstoffzellen; Partner: Umicore AG, UdS (zusammen mit Prof. Dr. R. Hempelmann, UdS)
• Projekt: Rußverbrennungskatalysatoren für Anwendungen im Automobilbereich, Partner: Bosch GmbH
• Projekt: Abgaskatalysatoren für kleine Verbrennungsmotoren, Partner: Heraeus GmbH
• Projekt: Edelmetallfreie Elektrokatalysatoren für die Direkt-Methanol Brennstoffzelle DMFC, Partner: Umicore AG
• BMBF "NanoKat" Projekt: Katalytisch aktive nanoskalige Materialien für Oberflächen in Verbrennungsmotoren und im Abgasstrang; Partner: Volkswagen AG, Evonik-Degussa AG, Eberspächer AG, Fh-IFAM Bremen, Fh-IST Braunschweig, PCI Heidelberg, FKZ 19U5028G
• Projekt: "Optimierung katalytisch aktiver Nanowerkstoffe im Abgasstrang von Dieselfahrzeugen", Partner: Volkswagen AG
• Projekt: Halogen-resistente Abgaskatalysatoren; Partner: Heraeus GmbH
• Projekt: Elektrokatalysatoren für die Chlor-Alkali-Elektrolyse; Partner: Bayer AG, UdS (zusammen mit Prof. Dr. R. Hempelmann, UdS)
• BMBF Projekt: Effizienzsteigerung bei der Chlorherstellung; Partner: Bayer AG, Nano-X GmbH, FAU, JLU, RUB, TUB, UdS (zusammen mit Prof. Dr. R. Hempelmann, UdS) FKZ 033R018G
• Projekt: Entwicklung neuartiger katalytischer Materialien für die Dieselrußoxidation mittels Hochdurchsatztechniken; Partner: Treibacher Industrie AG
• Projekt: Neue katalytische Materialien für die Methanoxidation aus Biogasmotoren, Partner: Heraeus GmbH
• DBU Projekt : Wissenschaftliche Begleitung eines neuartigen Verfahrens zur Wasseraufbereitung mittels keramischer Membranen und Ozonbelüftung am Beispiel des Seehundbeckens im Zoo Saarbrücken, KOAS, audita UB GmbH, Junghans, AZ 27540/02
• BMWi "NeoKaR II" Projekt: "Neuartige hocheffiziente Katalysatoren für Brennstoffzellenanwendungen von übermorgen - Vom Modellsystem zum Realkatalysator - Teil II" Hochdurchsatz-Entdeckung und Entwicklung neuer Kathodenkatalysatoren für die Sauerstoffreduktion in PEM-Brennstoffzellen"; Partner: Umicore AG, FKZ 03ET2035
• Projekt: Katalytische Kunststoffpyrolyse; Partner: Outotec GmbH Oberursel