Am 1. April 2025 erhält Dr. Andrea Kirsch ein NRW-Rückkehrstipendium, das es ihr ermöglicht, an der Ruhr-Universität Bochum (RUB) eine Juniorprofessur für Oxidic Functional Materials am Research Center Future Energy Materials and Systems zu besetzen. Ihr Arbeitsbereich ist an der Fakultät für Chemie und Biochemie angesiedelt und fokussiert sich auf Hochentropie-Oxide (HEOs). Diese faszinierende Materialklasse, die in den letzten zehn Jahren entdeckt wurde, bietet vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten für die Energieversorgung der Zukunft.
Dr. Kirsch möchte in ihrer Forschung neue HEO-Strukturtypen entdecken und deren atomare sowie elektronische Strukturen besser verstehen. Ziel ist es, die Leistung dieser Materialien für diverse Energieanwendungen zu optimieren. Gefördert wird Ihr Forschungsprojekt „Hochentropie-Oxide als innovative Energiematerialien“ durch das Ministerium für Kultur und Wissenschaft des Landes Nordrhein-Westfalen. Die Finanzierung in Höhe von 1,25 Millionen Euro erstreckt sich über fünf Jahre, um eine selbstständige Nachwuchsgruppe zu leiten.
Forschung zu Hochentropie-Oxiden
Die HEOs zeichnen sich dadurch aus, dass sie mehrere verschiedene Elemente in nahezu gleichen Anteilen innerhalb einer einzigen kristallografischen Struktur enthalten. Diese Eigenschaften machen sie besonders interessant für aktuelle Forschungsanstrengungen. Dr. Kirsch wird modernste Charakterisierungstechniken einsetzen, inklusive der Nutzung des Elektronensynchrotrons „DESY“ in Hamburg. Mit diesen Techniken können Experimente durchgeführt werden, die es ermöglichen, Veränderungen in der atomaren und elektronischen Struktur in Echtzeit zu beobachten. Studien zeigen, dass ein vertieftes Verständnis der Beziehung zwischen Synthese, Struktur und Leistung entscheidend ist, um das Potenzial von HEOs zu erschließen.
Die Dissertation von Abhishek Sarkar an der Technischen Universität Darmstadt kommt zu dem Schluss, dass HEOs bei der Einbeziehung von fünf oder mehr Elementen in die kationischen Untergitter von Oxidmaterialien entstehen. In seinem Werk, „High Entropy Oxides: Structure and Properties“, untersucht er insbesondere die Eigenschaften dieser Materialien und hebt hervor, dass viele grundlegende Aspekte der HEOs noch zu erforschen sind. Sarkars Forschung befasst sich unter anderem mit der Stabilität verschiedener Kristalltypen von HEOs und deren funktionalen Eigenschaften, wie elektrochemischen, optischen und magnetischen Merkmalen.
Anwendungen und Herausforderungen
Die Anwendungsmöglichkeiten der HEOs sind vielfältig. So wurden beispielsweise in seinen Untersuchungen R-HEOs als Elektrodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien getestet. Diese Materialien konnten mit reversiblen Speicherkapazitäten von über 600 mAh/g über 900 Zyklen hinweg überzeugen. Auch die strukturellen Eigenschaften von P-HEOs bieten interessante Perspektiven, wie etwa die reversibel einstellbaren optischen Eigenschaften, die durch gezielte Wärmebehandlungen beeinflusst werden können.
Ein weiterer Fokus der modernen Forschung zu Hochentropie-Materialien ist die Entwicklung effizienterer Wasserstoffspeicher. Hochentropie-Hydride spielen in dieser Hinsicht eine wichtige Rolle für die Energiewende. Die grundlegenden Eigenschaften dieser Materialien können bereits mit Techniken wie PETRA III analysiert werden, wobei zukünftige Anlagen wie PETRA IV noch detailliertere Einblicke ermöglichen sollen. In diesen vertieften Experimenten erwartet man, dass magnetische oder elektrische Eigenschaften während des Betriebs untersucht werden können, was zu innovativen Anwendungen in der Elektronik und Quantenverarbeitung führen könnte. DESY gibt an, dass die Ergebnisse dieser Untersuchungen entscheidend für zukünftige Entwicklungen im Bereich der Supercomputer sein könnten.
Andrea Kirsch plant zudem, Kurse zu „Synthesemethoden und Strukturcharakterisierung in der Materialchemie“ sowie „Fortgeschrittene Charakterisierungstechniken in Großforschungsanlagen“ anzubieten. Ihre umfangreiche akademische Laufbahn, die Stationen in verschiedenen Institutionen umfasst, hat sie auf diesen Schritt gut vorbereitet. Der Fokus auf Hochentropie-Oxide könnte sich als wegweisend für die Materialwissenschaften erweisen und dazu beitragen, die Energieproblematik der Zukunft zu lösen.
