• Energy Research
• Embargo close
• DE close

An amorphous WO3 induced lattice distortion strategy leads to only 2 wt% Ir for efficient overall water splitting in acid.

This research investigates the flight behavior of refuse-derived fuel (RDF) in a drop shaft using Computer Vision to obtain statistical data on the aerodynamic properties of the particles. Methods to determine 3D geometry models of complex-shaped particles by photogrammetry and to obtain time resolved particle positions and velocities are described. Furthermore, an approach to obtain the frequency distribution of drag and lift coefficients from photogrammetric analysis and drop shaft experiments is presented. The image evaluation is based on algorithms of the open-source libraries OpenCV, COLMAP as well as MeshLab and Open3D. The precision of the system is validated employing model particles with known geometry. The 3D particle models overestimate the particle surface area by 4.58 %, the position detection works with a mean deviation of 2.73 %. The average sink rate is calculated with an accuracy of 4.87 % and the drag coefficient with an accuracy of 2.08 %. Finally, the frequency distribution of four RDF fractions, namely, textiles, cardboard, 3D plastic particles and 2D plastic foils are presented.

Self-organizing nanopatterns can enable economically competitive, industrially applicable light-harvesting platforms for thin-film solar cells. In this work, we present transparent solar cell substrates having quasiperiodic uniaxial nanowrinkle patterns with high optical haze values. The self-organized nanowrinkle template is created by controlled heat-shrinking of metal-deposited pre-stretched polystyrene sheets. A scalable UV nanoimprinting method is used to transfer the nanopatterns to glass substrates on which single-junction hydrogenated amorphous silicon p-i-n solar cells are subsequently fabricated. The structural and optical analyses of the solar cell show that the nanowrinkle pattern is replicated throughout the solar cell structure leading to enhanced absorption of light. The efficient broadband light-trapping in the nanowrinkle solar cells results in very high 18.2 mA/cm2 short-circuit current density and 9.5% energy-conversion efficiency, which respectively are 35.8% and 39.7% higher than the values obtained in flat-substrate solar cells. The cost- and time-efficient technique introduces a promising new approach to customizable light-management strategies in thin-film solar cells.

Der Klimawandel wird sich voraussichtlich auf das Grundwasser auswirken, aber die Prognosen sind sehr unsicher. Die Quantifizierung der historischen Auswirkungen ermöglicht ein besseres Verständnis der Reaktion des Grundwassers, wurde aber aufgrund des komplexen Einflusses verschiedener Faktoren, wie Grundwasserentnahme für die landwirtschaftliche Bewässerung und Landnutzungsänderungen, nur selten untersucht. Diese Arbeit zielt darauf ab, zum Verständnis und zur Quantifizierung der historischen Auswirkungen von Klimawandel und -schwankungen auf das Grundwasser durch drei miteinander verbundene Forschungsfragen beizutragen: Frage 1: Wie sensitiv reagieren der Grundwasserstand und die Grundwasserneubildung auf Klimaschwankungen in Australien? Frage 2: Wie stark sind die Veränderungen des Grundwasserstands auf den anthropogenen Klimawandel in Australien zurückzuführen und wann haben sich diese Auswirkungen auf das Grundwasser bemerkbar gemacht? Frage 3: Wie haben und werden sich die langfristigen Klimawandel und -schwankungen auf den Grundwasserabfluss (niedriger, mittlerer und hoher Abfluss) in einem großen Karsteinzugsgebiet (schneebeeinflusst, gemäßigtes Klima) in Mitteleuropa auswirken? Die Frage 1 wurde durch Quantifizierung der Sensitivität des Grundwasserstands und der Grundwasserneubildung gegenüber Klimaschwankungen in Australien untersucht. Insgesamt 4350 Messstellen wurden zunächst mit der Zeitreihen-Grundwasser-Toolbox HydroSight modelliert, und 1143 (26%) davon wurden als klimadominierte Messstellen identifiziert. Zur Quantifizierung der Grundwassersensitivität wurde dann ein multipler linearer Regressionsansatz angewandt, der an Studien zur Elastizität von Wasserflüssen adaptiert wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass der Grundwasserstand und die Grundwasserneubildung etwa achtmal sensitiver auf Niederschläge reagieren als auf Veränderungen der potenziellen Evapotranspiration. Die inhärenten Eigenschaften der Gebiete, wie Klimatyp und Hydrogeologie, scheinen eine wichtige Rolle bei der Kontrolle der Grundwassersensitivität zu spielen. Die Frage 2 wurde untersucht, indem historische Veränderungen des Grundwasserstands in Australien festgestellt und auf den anthropogenen Klimawandel zurückgeführt wurden. An den vom Klima dominierten Standorten wurde ein Modellierungsexperiment durchgeführt, um die Veränderungen des Grundwasserstands sowohl in der faktischen als auch in der kontrafaktischen (natürlichen) Welt mit und ohne menschlichen Einfluss zu simulieren. Die Ergebnisse zeigen, dass 90% der Standorte seit den 1950er Jahren eine signifikante Grundwasserabsenkung erfahren haben, die auf den anthropogenen Klimawandel zurückzuführen ist. Im Südwesten Australien ist die Abnahme am höchsten und liegt viermal so hoch wie der nationale Median (-74 gegenüber -19 mm pro Jahr). Diese Ergebnisse gehören zu den ersten, die zeigen, dass das Grundwasser bereits seit längerer Zeit den negativen Auswirkungen des anthropogenen Klimawandels leidet. Zur Beantwortung von Frage 3 wurde die Reaktion des Grundwasserabflusses auf Klimawandel und -schwankungen in einem schneebeeinflussten Karsteinzugsgebiet der gemäßigten Breiten (Blautopf) in Süddeutschland zwischen 1952 und 2100 quantifiziert. In dieser Studie wurden statistische Methoden und konzeptionelle Modellierungen eingesetzt, um die langfristigen Auswirkungen zu quantifizieren. Die Ergebnisse zeigen, dass die Veränderungen des jährlichen mittleren und niedrigen Abflusses nicht signifikant waren, aber der jährliche Spitzenabfluss hat sich aufgrund der weniger intensiven Schneeschmelze auf einen niedrigen Wert (< 13,6 m3/s) verschoben. Trotz nicht signifikanter historischer Veränderungen werden alle hoch-, niedrig- und mittleren Abflüsse bis zum Jahr 2100 voraussichtlich abnehmen. Diese Ergebnisse können auf potenzielle Risiken der Wassermangelversorgung an ähnlichen klimatischen und geologischen Standorten hinweisen. Die Quantifizierung der historischen Auswirkungen von Klimawandel und -schwankungen auf das Grundwasser trägt zu einem besseren Verständnis der Reaktion des Grundwassers bei und erhöht die Zuverlässigkeit der Vorhersagen. Nur wenn wir die Vergangenheit verstehen, können wir bessere Vorhersagen für die Zukunft machen.

Um den weltweit wachsenden Energiebedarf zu decken, müssen die Anstrengungen zur Entwicklung hocheffizienter Batteriesysteme verstärkt werden. Die modernste Technologie, die Lithium-Ionen-Batterie (LIB), gilt als unumstritten und ist daher in fast allen mobilen Geräten zu finden. Trotz ihres unbestreitbaren Wertes für die Menschheit sind die Ressourcen an Lithium, Nickel, Kobalt und anderen wesentlichen Elementen begrenzt. Aus diesem Grund stellen metallfreie, organische Batterien einewünschenswerte Alternative dar. Metallorganische Radikalbatterien, die auf nitroxylhaltigen Polymeren wie Poly(2,2,6,6-tetramethylpiperidinyloxymethacrylat) (PTMA) basieren, wurden erstmals 2002 veröffentlicht, und kurz darauf wurde die erste rein organische Radikalbatterie (ORB) vorgestellt. Ein großerNachteil der organischenMaterialien ist allerdings ihre vergleichsweise geringe spezifische Kapazität, da ein großer Anteil ihrer Masse nicht an den elektrochemischen Prozessen beteiligt ist, sondern z.B. der strukturellen Stabilität von Nitroxid-Radikalen dient. Um dieses Problem zu überwinden, wurden neue Klassen von nicht-radikalischen redoxaktiven Polymeren auf der Basis von Cyclopropeniumkationen und Quadratsäureamiden untersucht. Die funktionellen Gruppen bestanden aus den kleinsten molekularen Zyklen (d.h. drei- und viergliedrigen Zyklen), welche aufgrund ihrer aromatischenNatur hohe Redoxpotentiale und Zyklenstabilität aufwiesen. Obwohl beide funktionellen Gruppen seit Jahrzehnten bekannt sind, wurde erst in den letzten Jahren die Anwendung von Cyclopropenium-Kationen als hochpotente Katholyten in Redox-Flow- Batterien (RFBs) untersucht. Soweit wir wissen, sind Quadratsäureamide seit Hünigs grundlegenden elektrochemischen Studien im Jahr 1977 nicht mehr mit dem Fokus auf Batterieanwendungen untersucht worden. Aus diesem Grund wurden neue Polymere synthetisiert, die mit Aminocyclopropeniumkationen (ACPs) und Quadratsäureamidderivaten (SAA), insbesondere Quadratsäurechinoxalinen (SQXs), dekoriert waren. Ihre physikalischen und elektrochemischen Eigenschaften wurden im Hinblick auf ihre Verwendung als organisches Kathodenmaterial für Batterien untersucht. Während die synthetisierten ACP-Polymerverbindungen sehr hygroskopisch waren und irreversible Oxidationen in Lösung unterlaufen sind, stellten sich die SAA-Polymere als vielversprechender heraus. Es konnte demonstriert werden, dass vor allem die SQX-Polymere vorteilhafte Charakteristiken wie eine hohe thermische Stabilität und reversible Redoxeigenschaften in Lösung aufweisen. In nachfolgenden galvanostatischen Zyklisierungen wurde die Leistung von ausgewählten Polymeren in Lithium Halbzellen untersucht. Ein SQX Polymer ist dabei besonders herausgestochen durch seine sehr hohe Zyklisierbarkeit über einhundert Zyklen. Obwohl die erste Entladekapazität (43.7 mAh g−1) deutlich niedriger als die theoretische Kapazität war (66.8 mAh g−1), blieben nach 100 Zyklen 91 % der ersten Entladekapazität (39.8 mAh g−1) erhalten. Es wird erwartet, dass durch weitere Untersuchungen an kritischen Faktoren für die elektrochemischen Eigenschaften diese neuen redoxaktiven SQX Polymere einen signifikanten Beitrag zu der Entwicklung von organischen Batterien leisten werden.

For layered oxide cathodes, aluminum doping has widely been shown to improve performance, particularly at high degrees of delithiation. While this has led to increased interest in Al-doped systems, including $\mathrm{LiNi_{0.8}Co_{0.15}Al_{0.05}O_{2}}$ (NCA), the aluminum surface environment has not been thoroughly investigated. Using hard x-ray photoelectron spectroscopy measurements of the Al 1s core region for NCA electrodes, we examined the evolution of the surface aluminum environment under electrochemical and thermal stress. By correlating the aluminum environment to transition metal reduction and electrolyte decomposition, we provide further insight into the cathode-electrolyte interface layer. A remarkable finding is that Al-O coatings in LiPF$_6$ electrolyte mimic the evolution observed for the aluminum surface environment in doped layered oxides. ECS transactions 80(10), 197 - 206 (2017). doi:10.1149/08010.0197ecst Published by Pennington, NJ