Dünne Schichten auf hohlen Mikroglaskugeln

Die Anwendungen für Materialien mit katalytischen Eigenschaften sind sehr vielfältig. Die grundsätzliche Funktion eines Katalysators ist es, eine chemische Reaktion zu beschleunigen ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Dies führt zum Beispiel dazu, dass chemische Reaktionen bei weit geringeren Temperaturen ablaufen als es durch die klassische Theorie vorhergesagt wird. Das grundlegende Prinzip beruht auf aktiven Bereichen an der Oberfläche des Katalysators, die auf komplizierte Art den Reaktionsverlauf durch modifizieren der Aktivierungsenergien beeinflussen. Durch sehr viele experimentelle Daten über dieses Phänomen besitzt man mittlerweile ein semiquantitatives Verständnis für katalytische Prozesse. Nichts desto Trotz ist es schwierig, Vorhersagemethoden zu finden, die die Optimierung von Katalysatoren für bestimmte Anwendungen erlauben. Das kann auf folgende Gründe zurückgeführt werden: Katalyse (i) ist hauptsächlich ein Oberflächeneffekt, (ii) wird stark von der Art und Konzentration der Oberflächendefekte und (iii) vom Trägermaterial, auf das der Katalysator aufgebracht ist, beeinflusst. Bei Anwendungen werden oft Pulver und Granulate verwendet, um eine möglicht große Oberfläche zu erhalten. Das widerspricht der gängigen Vorgehensweise der Oberflächenanalytik, wo wohl definierte plane Oberflächen bevorzugt werden. Dünne Schichten aus Trägermaterial und/oder Katalysator auf solchen wohl definierten Substraten erlauben die volle Ausnutzung des breiten Materialspektrums, das für verschiedene Beschichtungsmethoden zugänglich ist. Es ist das Ziel dieses Projektes, eine Vielzahl von Materialklassen (katalytische Metalle oder Oxide, metallische oder oxidische Trägermaterialien und Wärmeleitende Materialien) durch Dünnschichtdeposition zu erschliessen und mit der Möglichkeit, diese Materialien auf pulver- und granulatförmige Substrate aufzubringen, zu verbinden. Als Beschichtungsmethode wird ein Magnetron-Sputter-System im reaktiven und im nicht reaktiven Modus verwendet. In früheren Projekten wurde vom Antragsteller und seinen Mitarbeitern eine Methode zur Beschichtung von Granulaten entwickelt. Das vorliegende Projekt hat die Funktionalisierung von hohlen Mikroglaskugeln für die Wasserstoff- und Heliumspeicherung durch optimierte Katalysatorbeschichtungen zum Ziel. Die Schichten werden als Einfach-, Mehrfach- und Gradientenschichten ausgeführt. Ein weiteres Ziel ist es die Wärmeleitfähigkeit der Mikroglaskugeln zu verbessern, da es sich dabei um einen kritischen Parameter des Gasfreisetzungsprozesses handelt.

Die Versorgungssicherheit mit elektrischer Energie bei stark fluktuierenden Netz- einspeisungen und -entnahmen ist durch den massiven Einsatz von Quellen mit hoher zeitlicher Schwankung (Windkraft, Solarenergie) zu einem vorrangigen Thema geworden. Im Rahmen des Projektes "CatSphere - Dünne Schichten auf hohlen Mikroglaskugeln" wurde ein inhärent sicheres System zur Energiespeicherung mittels Wasserstoffgas in hohlen Mikroglaskugeln auf grundlegender Basis untersucht und auf seine prinzipielle Anwendbarkeit getestet. Im Gegensatz zu großen Druckflaschen kann hier Wasserstoff in sehr kleinen, dünnwandigen hohlen Glaskugeln mit einem Durchmesser von weniger als einem hundertstel Millimeter gespeichert werden. Diese stellen damit winzige Mikrotanks dar, welche, im Gegensatz zu einem großen Druckbehälter, bei einer eventuellen Explosion keinen Schaden anrichten. Freigesetzt wird das Wasserstoffgas durch eine Temperatur von etwa 100C. Dadurch wird die Kugelwand für das Gas durchlässig und dieses kann aus dem Speicher entnommen werden. Bei der Bereitstellung der Temperatur setzt dieses Projekt an. Mittels einer chemischen Reaktion kann Wärme freigesetzt werden, welche in weiterer Folge zur Freisetzung des Wasserstoffes dient. Mittels eines Katalysators kann die Reaktion wesentlich beschleunigt werden und die Spitzentemperatur erhöht werden. Darüber hinaus können die beteiligten Chemikalien so gewählt werden, dass auch bei der Reaktion Wasserstoff frei wird, was die Effizienz des Systems zusätzlich steigert. Die Herausforderung liegt in der Bereitstellung des Katalysators direkt auf der Oberfläche der sehr fragilen Mikroglaskugeln. Dazu wurde ein spezielles Beschichtungsverfahren entwickelt, das es erlaubt, kleine, fragile Teilchen zerstörungsfrei allseitig zu beschichten. Das Verfahren basiert auf der physikalischen Gasphasenabscheidung, weswegen nahezu keine Einschränkung in der Wahl des Katalysators besteht. Dieser kann ein Metall, ein Metalloxid oder eine andere chemische Verbindung sein. Allerdings ist die allseitige Beschichtung des Granulates schwierig, da die Teilchen nicht vom Beschichtungsmaterial umspült werden, sondern einem gerichteten Strahl der Beschichtungsatome ausgesetzt sind, was eine trickreiche Durchmischung erfordert. Dieses Problem konnte in diesem Projekt zufriedenstellend gemeistert werden. Es war möglich, die Mikroglaskugeln vollständig mit Katalysator zu Beschichten. Dadurch konnte der Wirkungsgrad der chemischen Reaktion bis ans theoretische Limit gesteigert werden. Es konnte auch gezeigt werden, dass die katalytische Schicht haftfest ist und sogar mehrere Wiederverwendungszyklen unbeschadet übersteht. Damit konnte die theoretische Machbarkeit dieses hybriden Wasserstoffspeichersystems demonstriert werden.