Juniorprofessur Elektrolytthermodynamik und Molekulare Simulation
Elektrolytlösungen spielen eine wichtige Rolle in vielen zukunftsweisenden Bereichen, etwa in den Themenfeldern Energie, Mobilität und Rohstoffversorgung. Für den Fortschritt auf diesen Gebieten ist die Kenntnis des Verhaltens von Elektrolytlösungen bedeutsam. Diese besondere Bedeutung von Elektrolytlösungen resultiert aus ihren speziellen Eigenschaften, welche durch die frei beweglichen Ladungsträger - die Ionen - hervorgerufen werden. Andererseits führt die Anwesenheit der Ionen jedoch zu einem komplexen thermodynamischen Verhalten: Zwischen Ionen und Lösemittelmolekülen treten starke und langreichweitige zwischenmolekulare Wechselwirkungen auf, die zu einer erheblichen Strukturierung der Lösung führen. Daher ist die Beschreibung der Eigenschaften von Elektrolytlösungen aufwendiger als die der Eigenschaften von Systemen ohne Ionen und benötigt maßgeschneiderte Ansätze.
Die Arbeitsgruppe Elektrolytthermodynamik und Molekulare Simulation arbeitet skalen- und methodenübergreifend an der Untersuchung des Verhaltens von Elektrolytlösungen, der Modellierung ihrer Eigenschaften, sowie der Entwicklung und dem Einsatz von Simulationen von Systemen und Prozessen. Wir vermessen eine große Bandbreite von Stoffeigenschaften und Phasengleichgewichten, dabei kommt eine Vielzahl analytischer Methoden zum Einsatz. Wir arbeiten an allen heute gängigen Klassen thermodynamischer Modelle, von phänomenologischen Ansätzen über moderne Zustandsgleichungen bis hin zu atomistischen Modellen. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf dem Gebiet der molekularen Modellierung und Simulation. Bei der Modellentwicklung kommen auch avancierte Verfahren der multikriteriellen Optimierung zum Einsatz. Wir entwickeln skalenübergreifend Simulationstechniken für Prozesse und Gesamtsysteme und setzen diese zur Analyse und Optimierung ein. Bei alldem werden Experiment, Modellierung und Simulation nicht als unabhängig voneinander betrachtet, sondern gehen stets Hand in Hand.
Forschungsthemen
- Experimentelle Ermittlung von Stoffdaten von Elektrolytlösungen
- Modellierung von Elektrolytlösungen
- Molekulare Modellierung und Simulation von polaren Fluiden und Elektrolytlösungen
- Multikriterielle Optimierung
- Verfahrenstechnische Prozesse
- Elektrochemische Systeme
Ausgewählte Projekte
Thermodynamik von All-Vanadium-Redox-Flow-Batterien
Redox-Flow-Batterien (RFB) sind ein vielversprechender Ansatz zur elektrochemischen Energiespeicherung. In RFB werden zwei unterschiedliche Elektrolytlösungen aus Vorratstanks einer elektrochemischen Zelle zugeführt, in der reversible Redoxreaktionen ablaufen. RFB sind somit eine hybride Technologie zwischen Batterie und Brennstoffzelle. Die am weitesten verbreitete RFB ist die All-Vanadium RFB (AVRFB), bei der die beiden Halbzellen wässrige, schwefelsaure Lösungen von Vanadium in verschiedenen Oxidationsstufen enthalten. Die physikalische Chemie dieser Lösungen ist reichhaltig und vergleichsweise wenige Stoffeigenschaften dieser Lösungen sind in der Literatur verfügbar. Wir untersuchen die Eigenschaften dieser Lösungen sowie die Thermodynamik der AVRFB. Dabei führen wir Stoffdatenmessungen sowie Messungen der reversiblen Zellspannung einer Testzelle durch. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen dazu dienen, bestehende Modellierungsansätze für AVRFB zu verbessern und diese für Optimierungen zu nutzen.
Aufklärung von Mikroexplosionen von Spraytröpfchen bei der Nanopartikelsynthese in Sprayflammen
Die Sprayflammensynthese ist ein flexibles Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln. Dabei wird eine organische Elektrolytlösung eines Metallsalzes in einer Düse zerstäubt, das Lösemittel entzündet sich an einer Pilotflamme und schließlich bilden sich oxidische Nanopartikel. Es ist bekannt, dass die Qualität der erhaltenen Nanopartikel mit dem Auftreten von Kaskaden von Mikroexplosionen der Spraytröpfchen zusammenhängt. Die Ursachen und Mechanismen dieser Mikroexplosionen sind bislang jedoch weitgehend unbekannt. Im Rahmen des DFG Schwerpunktprogramms 1980 klären wir diese mit Hilfe von Simulationen des gekoppelten Wärme- und Stofftransports bei der Verdampfung einzelner Spraytröpfchen in einer heißen Atmosphäre auf. Die Vielzahl der hierzu benötigten Stoffdaten und Phasengleichgewichte der organischen Elektrolytlösungen werden experimentell ermittelt und modelliert.
Molekulare Modellierung und Simulation von Elektrolytlösungen
Das für Elektrolytlösungen charakteristische Verhalten wird maßgeblich durch die starken elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen Ionen und Lösemittelmolekülen hervorgerufen. Die Entwicklung molekularer Modelle für Elektrolyte setzt direkt an dieser Stelle an. Dieses atomistische Detail ermöglicht es, die Struktur der Lösung inhärent richtig abzubilden; dies gelingt bei anderen Modelltypen trotz großen Aufwands oft nur in grober Näherung. Molekulare Modelle erlauben daher zuverlässige Vorhersagen thermischer, kalorischer wie auch struktureller Eigenschaften von Elektrolytlösungen. Andererseits erfordert diese Modelltiefe auch den Einsatz geeigneter und effizienter Simulationsmethoden. Wir entwickeln daher nicht nur neue molekulare Modelle für Elektrolytlösungen, sondern auch neue Simulationsmethoden. Aktuell arbeiten wir unter anderem an der Untersuchung der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen hochkonzentrierter Elektrolytlösungen sowie an den dielektrischen Eigenschaften polarer Fluide.
Prozesssimulationen der Gewinnung ionischer Wertstoffe aus Wasserströmen
Die Sicherung der Verfügbarkeit kritischer Rohstoffe ist für die Entwicklung zukunftsweisender Technologien entscheidend. Dabei spielen Aspekte der Nachhaltigkeit eine große Rolle. Es gilt, neue, nachhaltige Quellen zu erschließen und einmal gewonnene Wertstoffe am Ende der Lebenszeit eines Produkts möglichst vollständig zurückzugewinnen. Mit Hilfe bestehender thermodynamischer Modelle für wässrige Multikomponenten-Elektrolytlösungen führen wir Prozesssimulationen von Ausfällungssequenzen wässriger Elektrolytlösungen durch. Solche Simulationen wurden bereits zur Betrachtung der ausfallenden Salze bei der Eindampfung von Meerwasser eingesetzt. Aktuell nehmen wir die Rückgewinnung des kritischen Rohstoffs Phosphor aus kommunalen Abwässern in den Blick. Die entwickelten Modelle und Programme können dabei nicht nur zur Analyse bestehender Konzepte, sondern auch zum Entwurf und zur Optimierung neuer Ansätze eingesetzt werden.