Doktorand:in - Projekt SynDiPET (w/m/d)

Das IMD-2 – Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren (ehemals IEK-1) erforscht und entwickelt Materialien, Bauteile und Komponenten für aktuelle und zukünftige hocheffiziente Energiewandlungs- und Speichersysteme. Dabei spielen Hochleistungskeramiken eine Schlüsselrolle. Die Forschungsfelder des IMD-2 sind: Werkstoffe für Hochtemperaturanwendungen (Wärmedämm- und Schutzschichten für Wasserstoff-Gasturbinen, -Fusionsanlagen und die Solarthermie), Gastrennmembranen für Wasserstoff und Sauerstoff, Sorbenzien für die direkte Entfernung von CO2 aus der Luft sowie katalytische Membranreaktoren für energieeffiziente Prozesse, Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) sowie Elektrolysezellen (SOEC) für die Erzeugung von H2 und CO und Beschichtungen für Niedertemperaturelektrolyseure, Lithium- und Natrium-Festkörperbatterien mit hoher Sicherheit und Stabilität für stationäre und mobile Anwendungen. Das Fachwissen der Forschenden, das von der Festkörperchemie und -synthese über die pulverbasierte und nasschemische Verarbeitung, das Sintern bis hin zu Dünnschicht- und thermischen Spritzverfahren reicht, ermöglicht eine schnelle Anpassung an die neuen wissenschaftlichen Herausforderungen. Die experimentellen Aktivitäten werden durch Multiskalenmodellierung (von DFT bis hin zur Fluiddynamik und Finite-Elemente-Analyse) ergänzt, was zu einem besseren Verständnis und einer besseren Vorhersage von Materialien und Prozessen führt.

Für die Energiewende in Deutschland werden dringend effiziente Umwandlungs- und Speichertechnologien gebraucht. Eine zentrale Rolle nimmt dazu die Elektrolysetechnologie ein, welche die Umwandlung von überschüssiger elektrischer Energie in Wasserstoff ermöglicht. Protonenleitende Membranen spielen in zukünftigen Wasserstoffkonzepten eine Schlüsselrolle als Elektrolyt für protonenleitende keramische Elektrolyse- und Brennstoffzellen (PCEC/PCFC). Eine aussichtsreiche Materialklasse für protonenleitende Membranen sind Yttrium-dotierte Bariumzirkonate BaZrxY1-xO3-d (BZY) und Bariumceratzirkonate BaZrxCeyY1-x-yO3-d (BZCY). Die elektrochemischen Eigenschaften können durch gezielte Dotierung mit Elementen wie Y3+, Yb3+, Al3+, Sc3+ und In3+ weiter verbessert werden, da eine Erhöhung der Korngrenzenleitfähigkeit in Aussicht steht. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt wird der Einfluss von Dotierungselementen auf die Protonenleitfähigkeit in den meisten Fällen durch Trial und Error-Verfahren untersucht und die gezielte Nutzung der Segregation von Akzeptordotierungselementen auf Korngrenzen steht noch am Anfang.