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

Section for Applied Electrochemistry

Forskningen i Sektionen for anvendt elektrokemi undersøger sammenhængen mellem materialers sammensætning, mikrostruktur og funktionalitet ved en kombination af elektrokemiske undersøgelser, mikrostruturel karakterisering og materialevidenskab. Dette er af afgørende betydning for at forstå og forbedre elektrokemiske komponenter som fx elektrolyseceller og brændselsceller. Vores 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 de elektrokemiske celler, både på celle-, stak- og modulniveau, og hvordan de 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

Section for Ceramic Engineering and Science

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 væser. 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 fx silketryk, båndstøbning, dip coating, sol-gel og inkjet-print, efterfulgt af sintring ved høj temperatur. Vi forsker også i hybridkomponenter som metal-keramik-multilag og keramik-polymer-nanostrukturer.

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

Billed- og strukturanalyse

Section for Imaging and Structural Analysis

Sektionen for billed- og strukturanalyse fokuserer på en fundamental forståelse af grænseflader og mikro-/nanostrukturer og deres indflydelse på egenskaberne af funktionelle energimaterialer. Vi 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 af in situ metoder til at udføre 2D og 3D røntgen- og neutronmålinger 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

Section for Mixed Conductors

I Sektionen for blandede ledere studerer vi 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. Vi studerer og transport 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 vi med at forudsige fasediagrammer (CALPHAD-modellering) og studerer defektkemi og diffusionsprocesser. En særlig indsats er dedikeret 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 vi 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; vi har udviklet særlige systemer (tyndfilm, mønsterelektroder) til at studere dette.

Endelig arbejder sektionen med faststofmekanik, hvor vi 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

Section for Electrofunctional Materials

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 vi en integreret indsats, som omfatter både materialeudvikling og -karakterisering, modellering af materialer og komponenter (fx permanente magneter) samt design, konstruktion og test af prototyper. Vi har demonstreret enheder til magnetisk køling med verdensførende ydelser og 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. Vi har 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). Af nylige opdagelser, som vores gruppe har gjort, kan nævnes den højest rapporterede elektronmobilitet ved et spinel/perovskit-grænselag, observation af kvantehalleffekten ved en oxidgrænseflade, og påvisningen af at man kan modulationsdotere sådanne grænseflader.

Elektrokemiske materialer og grænseflader

Section for Electrochemical Materials and Interfaces

Sektionen for elektrokemiske materialer og grænseflader forsker i nye materialer med skræddersyede elektron- og ionledningsegenskaber. Vi undersøger strukturer og grænseflader helt ned til det atomare niveau og bringer dem 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 vi 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.

Ved at udnytte vores store erfaring inden for faststofelektrokemi og defektkemi har vi udviklet nye generationer af elektroder, som er

Based on a long experience with solid state electrochemistry and defect chemistry, the section has also developed next generation electrodes based on nanoscaled electrocatalysts, supported on tailored and conductive oxide ceramics such as modified ceria and strontium titanates. These electrodes have been demonstrated as redox stable anodes for solid oxide fuel cells. The concept of nanoscaled electrocatalysts allows to de-couple structural stability, electronic and catalytic properties, which offers a higher design flexibility for solid oxide cell electrodes.

The development of in situ and in operando studies is a strong activity in the section. An example is characterization of high-temperature solid oxide cell electrodes as regards their surface topography, chemistry, and conductivity in a specially designed controlled atmosphere high temperature scanning probe microscope (CAHT-SPM), and by Raman spectroscopy.

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

Energisystemer og -analyse

Section for Energy Systems and Analysis

The aim of the Section for Energy Systems Analysis is to exploit the department’s deep insight into a variety of energy conversion and storage technologies to achieve better energy system analyses. We call our approach ‘technology-near analyses' meaning that we are in close contact with researchers who actually develop the new technologies in the laboratory.

The major part of our work lies within core energy analysis. In a close collaboration with the Danish Transmission Service Operator for electricity and gas, Energinet.dk, the section
has been working on modelling energy production and conversion on a system level with a special focus on the interaction between electricity, biomass and gas systems. Within this topic, we have contributed to computer models used for prediction of the future Danish energy system.

The section also performs consultancy work for public authorities like the European Commission and the Danish Energy Agency.

Modellering og materialer på atomar skala

Section for Atomic Scale Modelling and Materials

The scientific focus in the Section for Atomic Scale Modelling and Materials is computational design of materials for energy conversion and storage, based on a detailed atomic scale understanding of their structure and kinetics, as obtained from density functional theory (DFT) level calculations. An essential aspect of the work is the development and application of novel computational approaches, which are closely linked to experimental in situ structural and electrochemical characterization. Common for the research areas is a shared computational framework based on computational screening and prediction of composition and structure, and ionic and electronic transport mechanisms. Recent achievements include both method development and applications of DFT to materials screening and transport processes in next-generation battery materials as well as to electrocatalytic reactions.

Our research focus on extending the complexity, time and length scales accessible to our DFT-based computational approaches. We seek to strengthen the development and application of big data/deep learning techniques to design chemical composition and (nano)structure of materials with new or improved functionalities. One promising activity is the development and application of methods for description of complex solid-liquid interfaces and charge-transfer reactions across them. This requires combined use of multiple techniques, such as ab initio molecular dynamics, QM/MM (quantum mechanics/molecular mechanics), explicit solvation and constrained-DFT.

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

Organiske Energimaterialer

Section for Organic Energy Materials

For the past decade the Section for Organic Energy Materials has been among the most successful groups within the research field of polymer solar cells and has generated a high number of results within synthesis of polymer materials, solar cell preparation and characterization and installation. Recently, the focus has broadened to include other functional organic materials for energy applications.

The section has a strong background in organic chemistry, synthesis and characterization of materials, roll coating, roll-to-roll coating, scaling, stability (outdoor/indoor/solar concentrator, environment chamber), and characterization of various electronics. Along with this is a strong understanding of the whole value chain of the technology, e.g. from materials design and preparation to application and installation of polymer solar cells.

While continuing research on polymer solar cells, including the development of inks for large scale manufacture, the section is also considering novel types of solar cells, e.g. the so-called perovskite cells. Novel concepts for additive manufacturing is another growing area of research.

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

Protonledere

Section for Proton Conductors

The Section for Proton Conductors focuses on materials science and electrochemical systems and components based on proton conducting cells in a broad sense, at low to intermediate temperature (below 400 °C). The electrolytes include direct proton conductors as well as indirect proton conductors like aqueous hydroxide. Research also encompasses electrocatalysis and development of complete cells around proton conducting electrolytes.

We synthesize polymers and manufacture and characterize proton conducting membranes. Special attention is devoted to high temperature membranes (polybenzimidazole, PBI) with chemical stability in acid as well as in base. Such polymers have been successfully applied in high-temperature PEM fuel cells, a research field in which we are pioneers. Lately, similar membranes have been successfully applied in alkaline electrolysis cells. Solid or liquid inorganic proton conductors are also studied for electrolysis above 200 °C.

Within electrocatalysis our research focus is on synthesis and characterization of platinum and non-platinum catalysts for the acidic environment, and on metal oxides for the alkaline environment. We have discovered complex nanostructured oxygen reduction catalysts with carbon encapsulated iron carbide particles, produced via a high pressure/high temperature autoclave synthesis technique. The activity is high in acidic as well as alkaline environment.

Electrodes and cells are developed based on the in-house membranes and catalysts. Electrospinning is being implemented for both electrode and membrane structures. A large effort is on long-term durability testing. Cells based on phosphates at 200-250 °C are studied for electrolysis and methanation of CO2.

A significant strength of the section is the capability for addressing all components (electrolytes, catalysts electrodes and complete cells) and consequently their interfaces, from the points of view of both materials science and electrochemistry.

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