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Ausschreibender Bereich: IEK-14 - Elektrochemische Verfahrenstechnik
Kennziffer: 2020M-109, Physik, Chemie

Masterarbeit: Atomistische Simulation von ionischen Flüssigkeiten als neuartige Brennstoffzellen-Elektrolyte

Beginn der Arbeit: nach Vereinbarung

Aufgabengebiet
Um die Erderwärmung, die durch die Emission von Treibhausgasen hervorgerufen wird, einzugrenzen, ist eine Umstellung des Energiesystems von fossilen Brennstoffen hin zu erneuerbaren Ressourcen erforderlich. Zur Realisierung dieser Energiewende, müssen nachhaltige Konzepte zur Energiespeicherung entwickelt werden, da z.B. Wind- und Solarenergie von den meteorologischen Bedingungen abhängen und nicht kontinuierlich zur Verfügung stehen.

Am IEK-14 erforschen wir die wasserstoffbasierte Energiespeicherung, die auf der Umwandlung von elektrischer und chemischer Energie mittels Elektrolyse- und Brennstoffzellen beruht. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Untersuchung von Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (PEMFC), bei denen organische Membranen als protonenleitende Elektrolyte eingesetzt werden. Um den Wirkungsgrad dieser Technologie zu erhöhen und so einen breiten Einsatz insbesondere für den Mobilitätssektor erlauben, wird eine Erhöhung der Betriebstemperatur von bislang 60-80 °C auf über 120 °C angestrebt. Zu diesem Zweck müssen neuartige Elektrolyte mit hoher Stabilität und Effizienz entwickelt werden.

Im Rahmen der Masterarbeit sollen daher protonenleitende ionische Flüssigkeiten als Elektrolytmaterial simuliert werden, um ein atomistisches Verständnis von elektrochemischen Prozessen an der Grenzfläche zwischen dem Elektrolyten und Platinelektroden zu erlangen. Da ionische Flüssigkeiten im Gegensatz zu wässrigen Lösungen ausschließlich aus geladenen Molekülen bestehen, bildet sich eine kompakte Grenzflächenstruktur aus alternierenden Anion- und Kationschichten aus, die von der angelegten Spannung sowie dem Restwassergehalt des Elektrolyten abhängt. Experimentell wurde die Grenzfläche an unserem Institut bereits durch Infrarot- und Raman-Spektroskopie sowie durch Rasterkraftmikroskopie analysiert.

Um aus diesen experimentellen Daten physikochemische Modelle zu entwickeln, soll in Zusammenarbeit mit dem Institut IEK-13 das Verhalten der ionischen Flüssigkeiten mit ab initio Methoden simuliert werden. Dies beinhaltet die Berechnung der elektronischen Struktur, der Molekülschwingungen und der Infrarot- und Ramanspektren der einzelnen Anionen und Kationen mittels Dichtefunktionaltheorie sowie die Simulation der Wechselwirkung zwischen den Molekülen innerhalb der ionischen Flüssigkeit mittels Molekulardynamik. Darauf aufbauend soll der Einfluss der Zugabe von Wasser auf die Struktur der ionischen Flüssigkeit und abschießend die Wechselwirkung mit Platinoberflächen unterschiedlicher elektrischer Polarisation modelliert werden.

Aufgabenbeschreibung

  • Ab initio Berechnungen von Molekülen mittels Dichtefunktionaltheorie und Molekulardynamik implementiert im Programm Quantum Espresso und CPMD
  • Vergleich mit experimentellen Daten
  • Physikochemische Modellbildung
  • Präsentation der Ergebnisse

Anforderungen

  • Solide Grundkenntnisse der Quantenmechanik und computergestützte Simulationen
  • Interesse an Hochleistungsrechnen - High Performance Computing
  • Selbstständige, motivierte und analytische Arbeitsweise

Unser Angebot

  • Eine hochmotivierte interdisziplinäre Arbeitsgruppe in einer der größten Forschungseinrichtungen in Europa.
  • Hervorragende wissenschaftliche und technische Infrastruktur, einschließlich großer Hochleistungsrechner (JURECA, CLAIX).
  • Intensive Betreuung der Arbeit vor Ort.

Wir freuen uns auf Ihre Bewerbung für dieses spannende Projekt!

Ansprechpartner

Dr. Christian Rodenbücher (IEK-14)
Telefon: +49 2461 61-6142
E-Mail: c.rodenbuecher@fz-juelich.de
http://www.fz-juelich.de/iek/iek-14

Dr. Piotr Kowalski (IEK-13)
Telefon: +49 2461 61-85928
http://www.fz-juelich.de/iek/iek-13

Institut für Energie- und Klimaforschung:
Elektrochemische Verfahrenstechnik (IEK-14)
Theorie und computergestützte Modellierung (IEK-13)
Forschungszentrum Jülich GmbH