Abstract:

Die vorliegende Arbeit ist ein Teil des Forschungsprojektes NETZ (Nano_Energie_Technik_Zentrum). Eines der Ziele dieses Projektes ist die Verbesserung von Brennstoffzellensystemen. Eine Brennstoffzelle wandelt die im Wasserstoff gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie um. Dabei werden keine CO2-Emissionen und Schadstoffe produziert, nur Wasser. Somit gilt die Brennstoffzellentechnologie hinsichtlich einer CO2-ärmeren zukünftigen Energiewirtschaft und zur Herabsetzung der weltweiten Klimaerwärmung, momentan als eine der aussichtreichsten zukünftigen Energiewandlungssysteme. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese und Charakterisierung von Kohlenstoff-basierten Titandioxid-Nanopartikel-Kompositen. Durch die Verknüpfung der Energietechnik mit der Nanotechnologie, sollen die Kohlenstoff-basierte Metalloxid-Nanopartikel-Komposite die Kosten der Produktion senken und die Lebensdauer der Brennstoffzelle erhöhen. Im ersten Teil der Arbeit wurden Nanopartikel-Dispersionen systematisch untersucht. Dazu wurden insgesamt vier Nanopartikeltypen: AEROXIDE®TiO2 P25 (P25), AEROXIDE®TiO2 P90 (P90), AEROXIDE®TiO2 PF2 (PF2) und AEROXIDE®TiO2 T805 (T805) der Firma Evonik analysiert. Es wurden zwei Versuchsreihen, jeweils bestehend aus einem dreistufigen Verfahren durchgeführt. Dabei wurden die Oberflächeneigenschaften der Nanopartikel mit Hilfe der Hansen-Löslichkeitsparameter ermittelt und somit für jeden Nanopartikeltyp mindestens ein geeignetes Lösungsmittel bzw. Lösungsmittelgemisch ausgewählt, das zur noch besseren Dispersionsqualität führte, als mit dem ursprünglichen Satz von Lösungsmitteln. Im zweiten Teil der Arbeit erfolgte die Synthese der Nanokomposite über drei unterschiedliche Synthesewege. Der erste Syntheseansatz basierte auf der Imprägnierung des, durch das Zweischritt-Quellverfahren nach Ugelstad gewonnenen, porösen Polymers mit der Nanopartikel-Dispersion. Als zweiter und dritter Syntheseansatz wurden die „in-situ“-Verfahren: Pickering Emulsionspolymerisation sowie die Monolith Synthese eingesetzt. Die Synthese und das Einbinden von Titandioxid-Nanopartikel in die Polymermatrix waren in allen Fällen erfolgreich. Die so entstandenen Nanokomposite wurden mit REM, TGA und der Messung der BET-Isotherme untersucht. Anschließend wurden diese Nanokomposite mit Oleum, sowie ohne Oleum-Zugabe pyrolysiert und so neuartige poröse Kohlenstoff-basierte Nanokomposite erzeugt. Diese wurden erneut mit REM, TGA und Messung der BET-Isotherme charakterisiert. Insgesamt hat diese Arbeit neue Einblicke in verschiedene Möglichkeiten verschafft, um Nanopartikel ohne Vorfunktionalisierung in poröse Materialien zu integrieren.