Sektioner

Instituttet er inddelt i ti forskningssektioner, der hver især fokuserer på speci­fikke videnskabelige kompetencer som fx elektrokemi, syntese, faststoffysik, elektronmikroskopi, katalyse, procesteknologi, reologi og modellering. Sektionernes videnskabelige ekspertise på deres respektive felter kommer i anvendelse på instituttets overordnede tværfaglige forskningsområder.

Nedenfor kan man finde en kort beskrivelse af hver enkelt sektion. Adskillige sektioner har desuden en hjemmeside med uddybende information.

Anvendt elektrokemi

Sectionen for anvendt elektrokemi

Forskningen i Sektionen for anvendt elektrokemi undersøger sammenhængen mellem materialers sammensætning, mikrostruktur og funktionalitet. Det sker ved at kombinere elektrokemiske undersøgelser, mikrostruturel karakterisering og materialevidenskab. Dette er af afgørende betydning for at forstå og forbedre elektrokemiske komponenter som fx elektrolyseceller og brændselsceller. Sektionens forskningsaktiviteter omfatter:

  • Design, udvikling og elektrokemisk undersøgelse af elektrokemiske komponenter
  • Udvikling og anvendelse af metodologier til detaljeret elektrokemisk karakterisering på både celle- og stakniveau af fx keramiske brændselsceller og elektrolyseceller samt batterier, med særlig vægt på driftsbetingelser der er relevante for virkelige anvendelser
  • Fundamental forståelse af ydelse og holdbarhed ved detaljeret in situ-diagnostik på celle- og stakniveau for at forbedre de elektrokemiske komponenter.

Det langsigtede mål er at forstå, hvordan de enkelte procestrin forløber på mikroskala i de forskellige lag (fx elektrolyt og elektroder) af en elektrokemisk celle, både på celle-, stak- og modulniveau, og hvordan processerne udvikler sig over tid under realistiske driftsbetingelser. Disse betingelser omfatter ofte høje temperaturer (op til 900 °C), giftige gasser som kulilte eller eksplosive gasser som brint. Vores vigtigste karakteriseringsmetode er elektrokemisk impedansspektroskopi, som gør det muligt at bestemme, hvor meget de enkelte reaktionstrin bidrager til de samlede effektivitetstab i cellen, og hvordan de hænger sammen med materialesammensætning og mikrostruktur. Forståelsen af ydelse og holdbarhed på mikroskala er grundlaget for at forbedre cellen.

Hjemmeside (på engelsk): www.aec.energy.dtu.dk

Anvendt keramisk forskning

Sektionen for anvendt keramisk forskning

Sektionen for anvendt keramisk forskning forsker i, hvordan man formgiver funktionelle keramiske materialer med den skræddersyede mikrostruktur, der kræves for at få høj ydelse af fx en brændselscelle. Sektionen har lang erfaring med multilagsstrukturer, oprindelig til keramiske brændselsceller (SOFC), men i dag også keramiske elektrolyseceller (SOEC), membraner til gasseparation, røggasrensning, termoelektriske komponenter og filtrering af væsker. Komponenterne kan være enten plader eller rør. Vi har også udviklet keramiske nanofibre, baseret på titanium-katalysatorer, der kan bruges til at rense udstødningsgasser for NOx. Til keramiske celler har vi udviklet nanometriske suspensioner og reaktive blæksammensætninger til at inkjet-printe komponenterne. Forskningen understøttes af avancerede karakteriseringsmetoder for at relatere procesparametrene (reologisk opførsel, overfladeegenskaber, temperatur, ...) til de endelige egenskaber af komponenten (lagtykkelse, kornstørrelse, porøsitet, form, ...).

Sektionen har state-of-the-art-facilitieter til at fremstille multilag og tyndfilm ved bl.a. silketryk, båndstøbning, dip coating, sol-gel og inkjet-print, efterfulgt af sintring ved høj temperatur. Sektionen forsker også i hybridkomponenter som metal-keramik-multilag og keramik-polymer-nanostrukturer.

Hjemmeside (på engelsk): www.ces.energy.dtu.dk

Billed- og strukturanalyse

Sektionen for billed- og strukturanalyse

Sektionen for billed- og strukturanalyse fokuserer på en fundamental forståelse af grænseflader og mikro-/nanostrukturer og deres indflydelse på egenskaberne af funktionelle energimaterialer. Sektionen anvender især tre typer af karakterisering, som hver især komplementerer hinanden: elektronmikroskopi, røntgen og neutronspredning. Disse metoder giver os mulighed for at undersøge 2D- og 3D-strukturen af materialer, både i sig selv og som del af en komponent som fx en brændselscelle. Målet er at være i stand til at sammenkæde materialernes mikrostruktur og sammensætning med egenskaberne og ydelsen af de komponenter, de indgår i.

Sektionen har udviklet flere typer in situ-metoder til at udføre røntgen- og neutronmålinger i 2D og 3D ved høje temperaturer, i reaktive gasser og med en elektrisk strøm påtrykt komponenten. Eksempler er:

  • in situ røntgenspredningsundersøgelse af de aktive lag i solceller, mens de pålægges ved rulle-til-rulle-trykning på fleksible substrater
  • måling af den tidslige udvikling af keramiske elektroders mikrostruktur ved højopløst nanotomografi
  • 3D-måling af magnetfelter med brug af polarimetrisk neutrontomografi
  • in situ elektronmikroskopi af en elektrokemisk celle i funktion.

Denne slags analyser giver vigtig feedback, når man modellerer, tester og udvikler materialer og komponenter til energikonvertering og -lagring.

Hjemmeside (på engelsk): www.isa.energy.dtu.dk

Blandede ledere

Sektionen for blandede ledere

Sektionen for blandede ledere studerer ioniske og elektroniske transportprocesser i keramiske materialer, både i deres indre og på eller hen over grænseflader. Transport af iltioner i elektrolytter og i blandede ion-/elektronledere er af særskilt interesse. Dertil kommer studiet af transporten af kationer (positive ioner), som både spiller en rolle for reaktionsmekanismerne i faste stoffer og for korrosion i højtemperaturmaterialer. Et vigtigt mål er at afdække sammenhænge mellem struktur/sammensætning og funktionalitet.

Inden for faststofkemi og termodynamisk modellering arbejder sektionen med at forudsige fasediagrammer (CALPHAD-modellering) og studerer defektkemi og diffusionsprocesser. En særlig indsats er helliget korrosion ved høj temperatur og udvikling af passende legeringer og beskyttelseslag, som kan anvendes i vores teknologier.

Inden for syntese og karakterisering af funktionelle oxider har sektionen aktiviteter, der strækker sig fra udviklingen af nye syntesemetoder og karakteriseringsteknikker til fremstilling af komponenter. Her kræves i særdeleshed viden om mekanismerne for og kinetikken af iltudvekslingsreaktionen på overflader; sektionen har udviklet særlige systemer (tyndfilm, mønsterelektroder) til at studere dette.

Endelig arbejder sektionen med faststofmekanik, hvor man analyserer de mekaniske spændinger af multilagskomponenter. Dette inkluderer en analyse af kontaktproblemer og en eksperimentel bestemmelse af de mekaniske egenskaber ved høj temperatur og i kontrolleret atmosfære. Aktiviteterne understøtets af multifysikmodellering.

Elektrofunktionelle materialer

Sektionen for elektrofunktionelle materialer

Sektionen for elektrofunktionelle materialer forsker i en bred vifte af emner inden for funktionelle materialer, med særlig vægt på de egenskaber (magnetisme, termoelektricitet, kaloriske effekter, heterostrukturer) der er relateret til materialernes elektronstruktur. Design og karakterisering af materialer suppleres med modellering af materialeegenskaber og design og konstruktion af prototyper.

Inden for kaloriske materialer (materialer hvis temperatur ændrer sig reversibelt, når et eksternt felt, fx et magnetfelt, påtrykkes) har sektionen en integreret indsats, som omfatter både materialeudvikling og -karakterisering, modellering af materialer og komponenter (fx permanente magneter) samt design, konstruktion og test af prototyper. Det har ført til demonstrationsenheder til magnetisk køling med verdensførende ydelser og til den første elastokaloriske enhed med aktiv regeneration.

Sektionen undersøger termoelektriske mateiraler ved høj temperatur, bl.a. gennem måling af Seebeck-effekten med høj opløsning, og har udviklet materialer med nogle af de højeste ydelser blandt keramiske mateiraler. Der er også fremstillet termoelektriske generatorer med sådanne materialer. Design af enheder understøttes af modeller, der bl.a. inkluderer virkningen af kontaktmodstande.

Keramiske heterostrukturer er et hastigt voksende forskningsfelt, hvor todimensionelle systemer med nye funktionaliteter kan skabes ved et skarpt grænselag mellem to forskellige oxider. Filmene pålægges vha. en laser (pulsed laser deposition, PLD). I sektionen har man bl.a. opnået den højest rapporterede elektronmobilitet ved et spinel/perovskit-grænselag, observation af kvantehalleffekten ved en oxidgrænseflade, og man har påvist, at man kan modulationsdotere sådanne grænseflader.

Elektrokemiske materialer og grænseflader

sektionen for elektrokemiske materialer og grænseflader

Sektionen for elektrokemiske materialer og grænseflader forsker i nye materialer med skræddersyede elektron- og ionledningsegenskaber. Strukturer og grænseflader studeres helt ned til det atomare niveau og bringes i anvendelse i elektrokemiske energikonverteringskomponenter som batterier, brændselsceller og elektrolyseceller.

Materialeforskningen understøttes af avancerede karakteriseringsteknikker, der gør det muligt at måle både de funktionelle (fx elektrokemiske, omsætnings- og transportegenskaber) og de strukturelle og kemiske egenskaber af materialer og grænseflader. Som noget særligt sker det under eller tæt på de betingelser, de er udsat for under drift.

Inden for elektrolyse af vand har sektionen udviklet en ny type alkalisk elektrolysecelle. Cellen er baseret på en hybrid elektrolyt og fungerer ved høje temperaturer og tryk (200-250 °C og 50 bar), hvilket giver en meget højere brintproduktion. Denne type af celler kan også bruges som såkaldte tandemreaktorer med specielle elektrokatalysatorer, der kan fremstille grundmaterialerne til bionedbrydelig plast.

Sektionen har også stærke aktiviteter inden for  in situ- and in operando-studier. Således kan man karakterisere elektroder til keramiske brændsels- og elektrolyseceller mht. beskaffenheden af deres overflade, kemi og ledningsevne i et specielt udviklet mikroskop (controlled atmosphere high temperature scanning probe microscope, CAHT-SPM) og ved Raman-spektroscopi.

Hjemmeside (på engelsk): www.emi.energy.dtu.dk

Energisystemer og -analyse

Sektionen for energisystemer og -analyse

Sektionen for energisystemer og -analyse udnytter instituttets dybe indsigt i en lang række energikonverterings- og energilagringsteknologier til at udarbejde forbedrede analyser af energisystemer. Denne form for ‘technologinær analyse' udnytter den tætte kontakt til de forskere som rent faktisk udvikler de nye teknologier i laboratoriet.

I samarbejde med Energinet.dk har sektionen arbejdet med at modellere energiproduktion og -konvertering med særligt fokus på vekselvirkningen mellem elektricitet, biomasse og (natur)gas. Sektionen har bl.a. bidraget til computermodeller, der bruges til forudsigelse af det fremtidige danske energisystem.

Desuden udfører sektionen analysearbejde for offentlige myndigheder som EU-kommissionen og Energistyrelsen.

Modellering og materialer på atomar skala

Sektionen for modellering og materialer på atomar skala

Sektionen for modellering og materialer på atomar skala fokuserer på computerbaseret materialedesign, baseret på detaljeret forståelse af materialers struktur og kinetik på atomar skala vha. såkaldte tæthedsfunktional-beregninger (density functional theory, DFT). Et vigtigt aspekt er udvikling og anvendelse af nye beregningsmæssige metoder, som er tæt forbundet til eksperimentel in situ-karakterisering af strukturelle og elektrokemiske egenskaber. Sektionen har udviklet metoder til screening af materialers egenskaber og til udregning af transportprocesser i batterimaterialer og elektrokatalysatorer.

Forskningen fokuserer på at øge kompleksiteten og de tids- og længdeskalaer, som beregningsmetoderne kan anvendes på. For eksempel udvikles big data/deep learning-teknikker for at designe den kemiske sammensætning og nanostruktur af materialer med nye eller forbedrede funktionaliteter.

Hjemmeside (på engelsk): www.asc.energy.dtu.dk

Organiske energimaterialer

Sektionen for organiske energimaterialer

Sektionen for organiske energimaterialer rummer en af de førende grupper inden for plastsolceller, med mange resultater inden for syntese af polymermaterialer, fremstilling af solceller samt karakterisering og installation. For nylig er fokus blevet bredt ud til også at omfatte andre funktionelle organiske materialer til energiformål.

Sektionen har en stærk baggrund i organisk kemi, syntese og karakterisering af materialer, rulle-til-rulle-trykning, opskalering og stabilitet. Dette er ledsaget af en stærk forståelse for hele teknologiens værdikæde, fra materialedesign og -fremstilling til anvendelse og installation af plastsolceller.

Sideløbende med den fortsatte forskning i plastsolceller, herunder udvikling af blæk til storskala-trykning af solceller, ser sektionen på nye typer af solceller, fx de såkaldte perovskitceller, og på nye koncepter for additiv fremstilling.

Hjemmeside (på engelsk): www.oem.energy.dtu.dk

Protonledere

Sektionen for protonledere

Sektionen for protonledere fokuserer på materialevidenskab og elektrokemiske systemer og komponenter, der er baseret på protonledende celler ved temperaturer under 400 °C. De elektrolytter, der anvendes, omfatter både direkte protonledere og indirekte protonledere som vandigt hydroxid. Forskningen omfatter også elektrokatalyse og udvikling af hele celler med protonledende elektrolytter.

Et særligt fokus er membraner baseret på polybenzimidazole, PBI, som fungerer ved over 100 °C og er kemisk stabile overfor både syre og base. Sådanne polymerer har med held været anvendt i højtemperatur-PEM-brændselsceller, som er et område sektionen har været pionerer inden for. En nyere udvikling er brugen af lignende membraner i alkaliske elektrolyseceller. Både faste og flydende inorganiske protonledere bliver studeret mhp. elektrolyse over 200 °C

Inden for elektrokatalyse fokuserer forskningen på syntese og karakterisering af både platinholdige og ikke-platinholdige katalysatorer til syreholdige omgivelser samt metaloxider til basiske omgivelser.

Electroder og celler bliver udviklet baseret på egne membraner og katalysatorer. Langtidstest af celler for at evaluere deres holdbarhed er en stor indsats. Fosfatbaserede celler til elektrolyse og metanisering af CO2 er også et vigtigt forskningsområde.

En væsentlig styrke ved sektionen er evnen til at forstå alle komponenterne (elektrolytter, katalysatorer, elektroder og hele celler) og deres grænseflade, baseret på materialevidenskab og elektrokemi.

Hjemmeside (på engelsk): www.pro.energy.dtu.dk

http://www.energy.dtu.dk/sektioner
21 MAJ 2018