Grenzflächenchemie und Oberflächentechnik

Grenzflächenchemie und Oberflächentechnik

Die Abteilung für Grenzflächenchemie und Oberflächentechnik (GO) befasst sich hauptsächlich mit Korrosion und elektrochemischer Energieumwandlung. Sie ist international bekannt als eine der führenden Gruppen auf dem Gebiet der elektrochemischen Wissenschaften. Unsere Aufgabe ist es, sowohl die Grundlagenwissenschaften als auch die angewandten Wissenschaften zu kombinieren, um Schlüsselfragen für einen Fortschritt hin zu neuen oder besseren, energiesparenden und effizienten, billigeren und langlebigeren Werkstoffen für Anwendungen als Struktur- (insbesondere Stähle und andere Legierungen) und Funktionswerkstoffe, z. B. für Brennstoffzellenkatalysatoren, Vorbehandlungen und intelligente Beschichtungen, anzugehen.

Die Abteilung beherbergt derzeit vier Forschungsgruppen. Die verschiedenen Gruppen konzentrieren sich auf Hochdurchsatzmethoden und die Entwicklung kombinatorischer Methoden in der Adhäsionswissenschaft und Elektrochemie, auf die Charakterisierung elektrifizierter Grenzflächen durch ergänzende Methoden wie Schwingungsspektroskopie, In-situ-Beugungsstudien und Rastersondenverfahren wie Scanning Flow Cell (SFC), Scanning Kelvin Probe (SKP), Rasterkraftmikroskopie (AFM) oder Rastertunnelmikroskopie (STM) sowie auf entsprechende ab initio-Simulationen. Wir kombinieren die Elektrochemie mit einem oberflächen- und grenzflächenwissenschaftlichen Ansatz, und in den meisten Projekten ergänzen wir sowohl experimentelle Studien an atomar gut definierten Modellsystemen als auch an technischen Systemen mit atomistischer ab initio Modellierung. Alle Gruppen in der Abteilung haben ihre eigene unabhängige und starke Forschungsagenda, während die gemeinsamen Forschungsprojekte synergetisch sind und sich auf große Herausforderungen und komplexe wissenschaftliche Fragen konzentrieren, die einen großen Maßstab und Interdisziplinarität erfordern.
Von entscheidender Bedeutung in den letzten Jahren war es, die Abteilung zu stabilisieren. Da der Leiter der Abteilung, Martin Stratmann, von Juni 2014 bis Juni 2023 das Amt des Präsidenten der Max-Planck-Gesellschaft übernommen hatte und seit Juli 2023 offiziell ein emeritiertes wissenschaftliches Mitglied am MPIE ist, kam es zu erheblichen Veränderungen in der Abteilung. Michael Rohwerder hat die Koordination der Abteilung übernommen und Jörg Neugebauer (Leiter der Abteilung "Computational Materials Design") fungiert als kommissarischer Leiter der Abteilung. Vor allem die Zahl der Forschungsgruppen schrumpfte schnell von sechs im Jahr 2014 auf zwei im Jahr 2019. Die Forschungsgruppe von Andreas Erbe (Optische Spektroskopie) bleibt jedoch bis Ende 2019 als Gastgruppe sehr aktiv, ebenso die von Karl Mayrhofer (Elektrokatalyse), gefolgt von der sehr aktiven Gastgruppe von Olga Kasian (Dynamische elektrokatalytische Grenzflächen, bis Ende 2021). 2020 wurde in der Abteilung GO die Nachwuchsgruppe "Spektroskopie an elektrochemischen Grenzflächen" als gemeinsame Forschungsgruppe des MPIE und des Exzellenzclusters RESOLV an der Ruhr-Universität Bochum (RUB) eingerichtet. Die Gruppe nutzt grenzflächenspektroskopische Methoden zur Untersuchung von Solvatation und anderen dynamischen Effekten an Festkörpergrenzflächen. Durch den Aufbau dieser neuen Gruppe konnte wichtiges Fachwissen zurückgewonnen werden. Seit Februar 2024 ist die neue Forschungsgruppe von Patricia Jovičević-Klug (Oberflächenwissenschaft für zukünftige Materialien) aktiv. Schwerpunkt dieser Gruppe ist die Untersuchung von (geo-)chemischen, korrosiven und verschleißbedingten Wechselwirkungen zwischen der Oberfläche und der Masse durch Oberflächenanalyse und fortschrittlichen Prüfverfahren.
Die Abteilung beteiligt sich aktiv an verschiedenen Forschungskooperationen mit internen und externen Partnern. Ein wichtiges Beispiel ist der Exzellenzcluster "Ruhr Explores Solvation" (RESOLV) der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), der an der Fakultät für Chemie und Biochemie der RUB angesiedelt ist. Unsere Beiträge zur Solvatationsforschung in RESOLV konzentrieren sich auf die Rolle von Lösungsmitteln in elektrochemischen Reaktionen und die Solvatation von Grenzflächen.
Mit ihrer vielseitigen experimentellen und theoretischen Expertise ist die GO-Abteilung in der einzigartigen Lage, auch vielfältige industrielle Forschung zu unterstützen und zu fördern, insbesondere bei der Erforschung der zugrunde liegenden elektrochemischen Reaktionsmechanismen und -kinetik.
Die elektrochemische Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) - ein Schlüsselprozess sowohl bei der Korrosion als auch bei der Energieumwandlung - steht beispielsweise im Mittelpunkt mehrerer gemeinsamer Forschungsprojekte der Abteilung, die auf ein grundlegendes Verständnis ihres Mechanismus abzielen, um eine bessere Kontrolle des Korrosionsschutzes sowie eine verbesserte Katalyse in Brennstoffzellen und Luftbatterien zu ermöglichen. Diese Forschungsprojekte kombinieren sowohl fortgeschrittene elektrochemische als auch in situ und in operando spektroskopische Experimente. Neben der ORR ist auch die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) Gegenstand intensiver Forschungsaktivitäten geworden und in diesem Zusammenhang auch die Erforschung der Transpassivität von Elektrodenmaterialien unter OER-Bedingungen. Die in der Grundlagenforschung gewonnenen Erkenntnisse über elektrochemische Schlüsselreaktionen wie die Sauerstoffreduktion und die Sauerstoffentwicklung spielen eine entscheidende Rolle bei der Lösung praktischer Probleme, die bei industriellen Anwendungen oder Prozessen wie Korrosion, Batterien und Brennstoffzellen auftreten.
Mehrere Forschungsprojekte konzentrieren sich auf industrielle Verfahren wie Beizen und alternative Oberflächenbehandlungen. Ein besonderes Kooperationsinteresse des Instituts gilt dem Wasserstoff im Stahl. Die Aktivitäten auf diesem Gebiet wurden weiter ausgebaut, wobei ergänzende experimentelle und theoretische Methoden in Zusammenarbeit zwischen den Abteilungen eine wichtige Rolle spielen. In der Abteilung GO wurden insbesondere die Raster-Kelvin-Sonde und die Raster-Kelvin-Sonden-Kraftmikroskopie in Kombination mit ergänzenden Techniken weiterentwickelt, um Wasserstoff in Stahl und sogar durch Zinklegierungsschichten hindurch eindeutig und direkt nachzuweisen.
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