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Dissertation: Entwicklung von Kompositmembranen für die O2-Bereitstellung in neuartigen Membranreaktoren

Ausschreibendes Institut: IEK-1 - Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren
Kennziffer: D161/2017, Materialwissenschaften, Chemie, Physik,

Beginn der Arbeit: ab Januar 2018/ nach Vereinbarung

Für unser Institut für Energie- und Klimaforschung, Bereich Werkstoffsynthese und Herstellungs-verfahren (IEK-1) suchen wir baldmöglichst eine/n Doktoranden/in (Materialwissenschaften, Chemie, Physik oder vergleichbarer Studiengang) für eine dreijährige Promotionsarbeit.

Hintergrund:
Sauerstoff ist eines der wichtigsten technischen Gase in industriellen Prozessen z.B. der chemischen Industrie. Die Erzeugung reinen Sauerstoffs ist allerdings sehr energieaufwändig. Keramische Membranen zur Abtrennung von Sauerstoff aus Luft sind eine effiziente Alternative im Vergleich zu konventionellen Verfahren wie das Linde-Verfahren oder Druckwechselabsorption. Außerdem muss für einen Membranreaktor der Sauerstoff nicht zuerst aufwändig abgetrennt und dann mit den anderen Edukten wieder vermischt und aufgeheizt werden. Indem man die Edukte bei optimalem Druck und Temperatur an der Membran vorbeiführt, können diese direkt mit den diffundierenden Sauerstoffionen an einem aufgebrachten Katalysator reagieren, z.B. partielle Oxidation von Kohlenwasserstoffen zu Basischemikalien wie Ethylen oder Propylen. Diese sogenannte Prozessintensivierung führt zu weiteren Effizienzsteigerungen.

Sauerstoff-permeable Membranen bestehen aus Keramiken, die bei hohen Temperaturen, ca. 500 - 900 °C in der Lage sind Sauerstoffionen durch das Kristallgitter zu leiten. Gleichzeitig benötigt man eine elektronische Leitfähigkeit, um Aufladungen zu vermeiden. Es gibt keramische Materialien, die gleichzeitig eine ionische als auch eine elektronische Leitfähigkeit aufweisen. Allerdings sind solche Materialien in realen Einsatzbedingungen häufig nicht stabil, da der Transport auf Gitterdefekten beruht; viele möglichst mobile Defekte bedeuten hohe Leitfähigkeit aber auch geringe Gitterstabilität. Eine Alternative bieten Komposite aus zwei Keramiken, die jeweils nur Ionen bzw. Elektronen leiten. Es hat sich gezeigt, dass man bei Auswahl geeigneter Ausgangsmaterialien gute Sauerstoffflüsse bei gleichzeitig hoher Stabilität erreichen kann. Zu beachten ist dabei, dass an den Phasengrenzen der beiden Materialien keine unerwünschten Reaktionsprodukte entstehen. Des Weiteren ist noch nicht ausreichend geklärt, welche ggfls. sogar positive Rolle diese Grenzflächen beim Transport spielen.

Dies soll in einem DFG-Verbundprojekt in Zusammenarbeit mit der Universität Münster sowie der RWTH Aachen untersucht werden. Ziel ist es, den Einfluss der Grenzflächen zu klären und damit maßgeschneiderte Mikrogefüge der Membranen entwickeln zu können. Dadurch soll die Leistungsfähigkeit bei gleichbleibend guter Stabilität maximiert werden, was durch Tests im Labormaßstab in einem Membranreaktor nachgewiesen wird.

Aufgabengebiet:
Für diese Zielsetzung sollen am IEK-1 Materialien synthetisiert und entsprechende Kompositmembranen hergestellt werden. Die Mikrostruktur sowie die Funktionseigenschaften werden eingehend charakterisiert und korreliert. Höchstauflösende Elektronenmikroskopie (RWTH Aachen) sowie ortsaufgelöste Messungen der Leitfähigkeiten (Uni Münster) werden bei Projektpartnern durchgeführt. Als Ionenleiter wird Gd-substituiertes Ceroxid (CGO) eingesetzt. Basierend auf Vorarbeiten werden verschiedene Elektronenleiter untersucht. Unterschiedliche Mikrostrukturen werden durch verschiedene Synthesen sowie unterschiedliche Sinterverfahren erzeugt. Neben der grundlegenden Eigenschaften werden viel versprechende Materialien im Membranreaktor getestet. Abschließend werden aus dem optimierten Material mit maßgeschneiderter Mikrostruktur eine Höchstleistungsmembran bestehend aus einer dünnen Membranschicht auf einem porösen Träger entwickelt und getestet.

Ihr Profil:

  • Abgeschlossenes Hochschulstudium des Materialwissenschaften, Chemie, Physik oder eines vergleichbaren Studiengangs
  • Kenntnisse in Festkörperchemie und – physik erwünscht.
  • Fundierte Deutsch- und Englischkenntnisse in Wort und Schrift
  • Ausgeprägte Fähigkeit zur kooperativen Zusammenarbeit mit internen und externen Projektpartnern
  • Hohe Flexibilität und großes Engagement

Das Forschungszentrum Jülich möchte mehr Mitarbeiterinnen in diesem Bereich beschäftigen. Wir sind daher an der Bewerbung von Frauen besonders interessiert. Bewerbungen schwerbehinderter Menschen sind uns willkommen.

Ansprechpartner:
Dr. Stefan Baumann
Forschungszentrum Jülich GmbH
Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-1)
52425 Jülich

Tel.: 02461-618961
E-Mail: s.baumann@fz-juelich.de


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