Forschungsprojekte

Nachhaltigere, effizientere und umweltfreundlichere Technologien zur Energiewandlung wie Brennstoffzellen werden im Zuge der Energie- und Mobilitätswende eine immer größere Rolle spielen. Aufgrund des hohen Anteils an wertvollen Technologiemetallen und ökologischen Betrachtungen ist ein effizientes Recycling von in PEM-Brennstoffzellen enthaltenen Materialien notwendig. Jedoch ist ein für Brennstoffzellen maßgeschneiderter Recyclingprozess derzeit industriell nicht verfügbar. Dieser Herausforderung stellt sich nun ein Konsortium unter Leitung der Fraunhofer-Einrichtung für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie IWKS im Rahmen des Projekts „BReCycle“.

Im Falle von Wasserstoff und Leichtbauwerkstoffen kann eine Schwingungsrisskorrosion auftreten, die z einer starken Minderung der Betriebsfestigkeit führen. Insbesondere bei der Erarbeitung von Bemessungskonzepten für biokraftstoff-/druckwasserstoffexponierten Komponenten sowie korrosionsanfälliger Leichtbauwerkstoffe, ist die Verringerung der Beanspruchbarkeit gegenüber äußeren Lasten aufgrund korrosiver Umgebungsmedien dringend zu berücksichtigen

Im Projekt wurde CO₂ mit Hilfe von Mikrowellenstrahlung in einem Plasma in CO und Sauerstoffradikale gespalten. Dieses Gemisch wurde direkt mittels keramischer Membranen getrennt und so das CO als Baustein für Synthesegas bereitgestellt. Hierbei wurden Konzepte zur Verlängerung der Betriebszeit der Membranen untersucht. Ein wesentlicher Punkt hierfür ist das Verstehen der Membran-Plasma- bzw. Membran-Gas-Wechselwirkungen. Zu deren Untersuchung wurden oft nicht-explosive Mischungen aus Argon und Wasserstoff als ungiftige Alternative zu CO eingesetzt, um mögliche reduktive Angriffe auf das Membranmaterial zu analysieren.

Literatur:

[1] G. Chen, W. Liu, M. Widenmeyer, P. Ying, M. Dou, W. Xie, C. Bubeck, L. Wang, M. Fyta, A. Feldhoff, A. Weidenkaff, High flux and CO₂-resistance of La_0.6Ca_0.4Co_1–xFe_xO_3−δ oxygen-transporting membranes, J. Membr. Sci. 2019, 590, 117082. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2019.05.007 

[2] G. Chen, M. Widenmeyer, B. Tang, L. Kaeswurm, L. Wang, A. Feldhoff, A. Weidenkaff, A CO and CO₂ tolerating (La_0.9Ca_0.1)₂(Ni_0.75Cu_0.25)O_4+δ Ruddlesden–Popper membrane for oxygen separation, Front. Chem. Sci. Eng. 2020, 14, 405–414. https://doi.org/10.1007/s11705-019-1886-0 

[3] G. Chen, B. Tang, M. Widenmeyer, L. Wang, A. Feldhoff, A. Weidenkaff, Novel CO₂-tolerant dual-phase Ce_0.9Pr_0.1O_2–δ – La_0.5Sr_0.5Fe_0.9Cu_0.1O_3–δ membranes with high oxygen permeability, J. Membr. Sci. 2020, 595, 117530. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2019.117530 

[4] M. Widenmeyer, K. Wiegers, G. Chen, S. Yoon, A. Feldhoff, A. Weidenkaff, Engineering of Oxygen Pathways for Better Oxygen Permeability in Cr-substituted Ba₂In₂O₅ Membranes, J. Membr. Sci. 2020, 595, 117558. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2019.117558 

[5] G. Chen, F. Buck, I. Kistner, M. Widenmeyer, T. Schiestel, A. Schulz, M. Walker, A. Weidenkaff, A novel plasma-assisted hollow fiber membrane concept for efficiently separating oxygen from CO in a CO₂ plasma, Chem. Eng. J. 2020, 392, 123699. https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.123699 

[6] G. Chen, Z. Zhao, M. Widenmeyer, R. Yan, L. Wang, A. Feldhoff, A. Weidenkaff, Synthesis and Characterization of 40 wt% Ce_0.9Pr_0.1O_2–δ – 60 wt% Nd_0.5Sr_0.5Fe_0.9Cu_0.1O_3–δ Dual-Phase Membranes for Efficient Oxygen Separation, Membranes 2020, 10, 183. https://doi.org/10.3390/membranes10080183 

Untersuchung der photo(elektro)katalytischen Spaltung von Wasser durch (Sonnen-)Licht zur Erzeugung von „grünem“ Wasserstoff. Hierzu kommen farbige perowskitartige Oxynitride der allgemeinen Zusammensetzung AB(O,N)₃ zum Einsatz. Der Zusammenhang zwischen Synthesebedingungen in der Ammonolyse, resultierendem Stickstoffgehalt, Defektkonzentration und effektiver Bandlücke wurde untersucht.

Literatur:

[1] M. Widenmeyer, C. Peng, A. Baki, W. Xie, R. Niewa, A. Weidenkaff, Approaching Compositional Limits of Perovskite – type Oxides and Oxynitrides by Synthesis of Mg_0.25Ca_0.65Y_0.1Ti(O,N)₃,
Ca_1–xY_xZr(O,N)₃ (0.1 ≤ x ≤ 0.4), and Sr_1–xLa_xZr(O,N)₃ (0.1 ≤ x ≤ 0.4), Solid State Sci. 2016, 54,
7–16. https://doi.org/10.1016/j.solidstatesciences.2015.11.016 

[2] C. Bubeck, M. Widenmeyer, G. Richter, M. Coduri, S. Yoon, A. Weidenkaff, Tailoring of an unusual oxidation state in a lanthanum tantalum(IV) oxynitride via precursor microstructure design, Commun. Chem. 2019, 2, 134. https://doi.org/10.1038/s42004-019-0237-x 

[3] M. Widenmeyer, T. Kohler, M. Samolis, A. T. De Denko, X. Xiao, W. Xie, F. E. Osterloh, A. Weidenkaff, Band Gap Adjustment in Perovskite-type Eu_1–xCa_xTiO₃ via Ammonolysis, Z. Phys. Chem. 2020, 234, 887–909. https://doi.org/10.1515/zpch-2019-1429 

[4] C. Bubeck, M. Widenmeyer, A. T. De Denko, G. Richter, M. Coduri, E. Salas Colera, E. Goering, H. Zhang, S. Yoon, F. E. Osterloh, A. Weidenkaff, Bandgap-Adjustment and Enhanced Surface Photovoltage in Y-Substituted LaTa^IVO₂N, J. Mater. Chem. A 2020, 8, 11837–11848. https://doi.org/10.1039/D0TA02136A 

Untersuchung der photokatalytischen Reduktion von CO₂ mittels H₂ und Licht bei Umgebungstemperatur sowie Synthese und Charakterisierung der auf der Brownmilleritstruktur basierenden Photokatalysatoren Ba₂In_2–xCr_xO₅ · y(H₂O).

Literatur:

[1] S. Yoon, K. Son, H. Hagemann, M. Widenmeyer, A. Weidenkaff, Cr-substitution in Ba₂In₂O₅·(H₂O)_x  (x = 0.16, 0.74), Solid State Sci. 2017, 73, 1–6. https://doi.org/10.1016/j.solidstatesciences.2017.08.019 

[2] S. Yoon, M. Gaul, S. Sharma, K. Son, H. Hagemann, D. Ziegenbalg, U. Schwingenschlogl, M. Widenmeyer, A. Weidenkaff, Photocatalytic CO₂ Reduction by Cr-substituted Ba₂(In_2–xCr_x)O₅·(H₂O)_δ (0.04 ≤ x ≤ 0.60), Solid State Sci. 2018, 78, 22–29. https://doi.org/10.1016/j.solidstatesciences.2018.02.005 

[3] S. Yoon, S. Nikoee, M. Ranjbar, D. Ziegenbalg, M. Widenmeyer, A. Weidenkaff, Strongly affected photocatalytic CO₂ reduction by CO₂ adsorbed to the surface of Ba₂(In_1.8Cr_0.2)O₅·(H₂O)_δ powders, Solid Stat. Sci. 2020, 105, 106212. https://doi.org/10.1016/j.solidstatesciences.2020.106212 

Wasserstoffversprödung, Lebensdauerabschätzung

Das Fraunhofer LBF unterstützt Unternehmen aus den Bereichen Transport, Energie sowie des Maschinen- und Anlagenbaus bei der Entwicklung zuverlässiger, leichter und effizienter Produkte, die mit Wasserstoff beaufschlagt werden. Hierfür werden kundenspezifische oder individuelle Analyse- und Versuchskonzepte eingesetzt, um den gestiegenen Anforderungen für den Betriebsfestigkeitsnachweis gerecht zu werden und die realen Betriebsbedingungen optimal abzubilden.