Funktionsmaterialien auf Basis anorganischer Nanopartikel haben eingroßes Anwendungspotenzial. Über die pure Variation derchemischen Zusammensetzung hinaus, eröffnet die Strukturgrößeeine neue Dimension für die Erzeugung ungewöhnlicherMaterialeigenschaften. Hochpotente Energiespeichermaterialien,edelmetallfreie Katalysatoren, effiziente halbleitende Lichtabsorberund emitter oder biokompatible Materialien für ‐ die medizinischeDiagnostik sind nur einige Beispiele für das Anwendungsspektrumanorganischer Nanomaterialien. Neben der Zusammensetzung der imSyntheseverlauf entstehenden primären Partikel entscheidet dieMorphologie darauf aufbauender sekundärer und tertiärer Strukturenüber die praktische Anwendbarkeit der Materialien. Um diesestrukturbasierten Eigenschaften beeinflussen und nutzen zu können,ist eine hochspezifische Synthese zwingend erforderlich, mit der – aufder Basis der primären Nanopartikel – Strukturgröße, Morphologieund strukturell definierte Materialkombinationen gezielt undreproduzierbar eingestellt werden können. Damit Nanomaterialien mitden entsprechenden Eigenschaften auch in industrierelevantenMengen hergestellt werden können, muss zudem die Skalierbarkeitder Prozesse sichergestellt werden, wozu sich dieGasphasensynthese besonders eignet. Hier setzt die Vision derForschergruppe an: Auf Basis des Verständnisses der elementarenSchritte von Prekursorchemie, Partikelentstehung, Partikel‐Partikel‐Interaktion und In‐situ‐Funktionalisierung werden Designregeln fürSyntheseverfahren und ‐reaktoren entwickelt und demonstriert, dieeine maßgeschneiderte Synthese, Modifizierung und Strukturierungvon Nanopartikeln in der Gasphase ermöglichen. Exemplarischwerden zwei Materialsysteme untersucht: Komposite auf Basis vonEisen‐ und Eisenoxid‐Nanopartikeln und strukturierte Siliziumpartikelund Nanokomposite. Da der Schwerpunkt der Forschergruppe auf derKombination von Analyse, Modellbildung und Simulation liegt, werdensequenziell Materialien und Prozesse mit einer Steigerung derKomplexität untersucht. So werden auf jeder Zwischenstufe eineRückkopplung mit dem Experiment und eine Validierung derentwickelten Simulationen und Designregeln sichergestellt. DasVorhaben erschließt nicht nur die Erzeugbarkeit neuerMaterialvariationen, sondern zielt dabei auf die Entwicklung vonskalierfähigen Prozessen und wissenschaftlich fundierten, validiertenSimulationsverfahren, die wesentliche Grundlagen für einezuverlässige Nutzung von hochspezifischen funktionalenNanopartikelensembles und deren industrielle Anwendung sind.

Im Rahmen der Forschergruppe wird untersucht, inwiefern Hochtemperaturumwandlungen in Kolbenmaschinen flexibel Nutzchemikalien gemeinsam mit energetischen Größen wie Arbeit oder Wärme abgeben können. Die Nutzchemikalien können dann entweder in der chemischen Industrie Verwendung finden oder aufgrund ihrer hohen Energiedichte zur Energiespeicherung eingesetzt werden. Der hohe Kenntnisstand der Verbrennungsforschung in Bezug auf die experimentelle und theoretische Erfassung von reagierenden Hochtemperatursystemen wird für die Erforschung der Polywandlungsprozesse genutzt, jedoch steht nun nicht mehr die konsequente Vermeidung von Schadstoffen im Vordergrund, sondern die Erzeugung von Nutzstoffen. Die Forschergruppe verfolgt diese Fragestellung theoriegeleitet mit entsprechender experimenteller Validierung. Hierfür werden im Bereich Grundlagen-Modellierung Elementarreaktionsmodelle entwickelt, die Thermodynamik solcher Prozesse analysiert und die Prozesse optimiert. Im Bereich Grundlagen-Validierung werden die Mechanismen anhand von reaktionskinetischen Experimenten mit gut definierten Randbedingungen validiert. Im Bereich Motoren-Maschinen werden die Modellvorhersagen anhand von Kolbenmaschinen überprüft. Ziel ist es, mit den Erkenntnissen aus dem Gesamtprojekt die flexible Energie- und Stoffwandlung ganzheitlich zu beurteilen im Hinblick auf möglichst geringe Verluste an nutzbarer Energie (Exergie). Grundsätzlich stellt die Exergie in diesem Projekt also das entscheidende Kriterium zur Beurteilung der Durchführbarkeit und der Güte eines Prozesses dar, während bei vorhergehenden Forschungsvorhaben meist die möglichst effiziente Energiewandlung und die Reduktion von Schadstoffen im Vordergrund gestanden haben. Flexible Maschinen könnten ebenso zur Erzeugung von Grundchemikalien wie auch zur Speicherung von Energie in Form chemischer Verbindungen genutzt werden und somit einen Beitrag zur Sicherheit der Energieversorgung liefern.

Ein zukünftiges nachhaltiges Energiesystem auf der Basis von Wasserstoff ist unvermeidbar. Die Herstellung dieses Energiespeichers wird definitiv durch Elektrolyse erfolgen. Allerdings stellt die Sauerstoffevolutionsreaktion bei der Wasserelektrolyse immer noch eine Herausforderung dar, die aufgrund der hohen Überspannung einen wesentlichen Teil der elektrischen Leistung verbraucht. Alternative anodische Reaktionen, die nicht Sauerstoff freisetzen jedoch nützliche Plattformchemikalien herstellen, stellen eine innovative Alternative zur Sauerstoffevolution dar. Um dieses Ziel zu erreichen, werden zwei komplementäre Strategien verfolgt. i) Die Entwicklung von elektrochemischen Oxidationsreaktionen mit hoher technischer Relevanz wie beispielsweise die anodische Funktionalisierung von Methan, die Oxidation von Alkoholen, spezifisch von Glycerin unter Bildung von Milchsäure, die Oxidation von Hydroxymethylfurfural unter Bildung der Plattformchemikalie 2,5-Furandicarbonsäure, sowie die Oxidation von Aminen zu Amin-N-Oxiden. ii) Alternativ werden anodisch Oxidationsäquivalente gebildet, die zu einem späteren Zeitpunkt für unterschiedlich chemische Transformationen Verwendung finden können. Diese Strategie vermeidet die Selektivitätsprobleme von komplexen Molekülen an der Anode. Es werden generelle Konzepte für universelle Anwendungen erhalten, die dazu beitragen sollen, Fluktuationen in der Bereitstellung von elektrischem Strom zu kompensieren, da diese Oxidantien gespeichert werden können. Um diese Herausforderungen wissensbasiert anzugehen,werden spezifische Verfahren für die Untersuchung wie z.B. operando Elektrochemie/Spektroskopie sowie der Einfluss der Elektrodenmorphologie adressiert. Diese Forschungsgruppe wird die Lücke zwischen den Grundlagen organischer Elektrochemie und der Elektrokatalyse in der präparativen Elektrolyse inklusive erster Schritte des Upskalings überbrücken.