Neue Materialien zur Energiespeicherung: ERC Starting Grant für Tristan Petit
Dr. Tristat Petit erhält den ERC Starting Grant des Europäischen Forschungsrats für seine Forschung an einer neue Materialklasse: Die so genannten MXene eignen sich für die Speicherung elektrischer Energie. © HZB/M. Setzpfandt
MXene sind 2D-Materialien, die Flocken aus vielen Schichten bilden (links) und sich als Pseudokondensatoren eignen. © HZB/M. Künsting
Dr. Tristan Petit erhält einen Starting Grant des Europäischen Forschungsrats und wird mit 1,5 Millionen Euro in den nächsten fünf Jahren gefördert. Der Materialforscher untersucht damit eine neue Materialklasse für die Speicherung elektrischer Energie, die so genannten MXene. Sie können extrem schnell große Mengen an elektrischer Energie speichern und abgeben. Damit könnten MXene neben Batterien und Superkondensatoren eine wichtige Rolle bei der Energiespeicherung spielen. Der ERC Starting Grant ist eine der wichtigsten europäischen Auszeichnungen.
Eine klimaneutrale Energieversorgung, die auf Solar- und Windenergie setzt, muss mit effizienten Energiespeicherlösungen kombiniert werden. Die Materialklasse der MXene, die erst 2011 entdeckt wurde, besitzt besonders interessante Eigenschaften. MXene könnten sehr schnell große Mengen elektrischer Energie speichern und damit künftig neben klassischen Elektrobatterien (langsam beim Laden und Entladen) und Superkondensatoren (schnell, wenig Energie) eine Rolle bei der Energiespeicherung spielen.
Speicherlösungen für die Energiewende
„Die Eigenschaften der MXene sind nicht nur wissenschaftlich äußerst spannend, sondern versprechen auch einen Beitrag zur Bewältigung der Energiewende. Ich freue mich sehr, dass ich mit dem ERC-Starting Grant die Möglichkeit habe, ihre Funktionsweise zu verstehen und diese Materialien weiterzuentwickeln“, sagt Tristan Petit.
Dabei konzentriert er sich auf MXene, die aus zweidimensionalen Flocken aus Metallkarbid und Nitrid bestehen. Sie lassen sich wie Blätterteig übereinander stapeln. Zwischen den Schichten finden elektrochemische Reaktionen statt. Welche das sind und wie diese Reaktionen genau ablaufen, will Petit nun in seinem geförderten Projekt NANOMXM („Nanoscale Chemical Imaging of MXene Electrochemical Storage by Operando Scanning X-ray Microscopy) herausfinden.
Analysen an BESSY II
„Das weiche Röntgenlicht von BESSY II eignet sich besonders gut dazu, um photo- und elektrochemischen Prozesse in Nanomaterialien zu untersuchen. Wir entwickeln die Messinstrumente und Methoden dafür stetig weiter“, erklärt Petit.
An BESSY II will er die Prozesse an den Grenzflächen zwischen den MXene-Flocken und einem flüssigen Elektrolyten in realitätsnaher Umgebung (in-Situ) und während des Betriebs (in-Operando) analysieren. Neben vielfältigen Methoden der Röntgenspektroskopie wird er insbesondere die Raster-Transmissions-Röntgenmikroskopie (STXM) einsetzen. Dafür wird Petit eine elektrochemische Zelle entwickeln, anhand deren sich die MXene Eigenschaften untersuchen lassen.
„Wir gratulieren Tristan Petit herzlich zu seinem Forschungsvorhaben, das sich hervorragend an BESSY II durchführen lässt und sich perfekt in unsere Energieforschung integriert. Wenn es im Lauf des Projekts gelingt, elektrochemische Reaktionen in den MXenen abzubilden und dieses Verständnis für die Weiterentwicklung der Materialien zu nutzen, ist dies ein großer Fortschritt“, sagt Prof. Dr. Bernd Rech, wissenschaftlicher Geschäftsführer des HZB.
Zur Person
Tristan Petit studierte unter anderem an der ETH Zürich und promovierte an der Ecole Normale Supérieure de Cachan in der Nähe von Paris. Nach Forschungsaufenthalten an der ETH Zürich und der CEA kam er 2013 mit einer Humboldt-Fellowship an das HZB. 2015 erhielt er eine Freigeist-Förderung der Volkswagen-Stiftung und baute eine eigene Nachwuchsforschergruppe zu kohlenstoffbasierten Nanomaterialien am HZB auf. Gemeinsam mit seinem Team entwickelte er die Idee für das EU-Projekt NANOMXM und führte auch erste Experimente zu MXenen durch.
Weitere Informationen:
Dieses Projekt wird durch den European Research Council (ERC) im Rahmen des Horizont 2020 Programms gefördert (No 947852).
Resultate aus der Gruppe Petit zu MXenen: Schnell und stark: Neue 2D-Materialien mit Talent zur Energiespeicherung"
- Schlüsseltechnologie für eine Zukunft ohne fossile EnergieträgerIm Juni und Juli 2025 verbrachte der Katalyseforscher Nico Fischer Zeit am HZB. Es war sein „Sabbatical“, für einige Monate war er von seinen Pflichten als Direktor des Katalyse-Instituts in Cape Town entbunden und konnte sich nur der Forschung widmen. Mit dem HZB arbeitet sein Institut an zwei Projekten, die mit Hilfe von neuartigen Katalysatortechnologien umweltfreundliche Alternativen erschließen sollen. Mit ihm sprach Antonia Rötger.
- MXene als „Rahmen“ für zweidimensionale Wasserfilme zeigt neue EigenschaftenEin internationales Team unter Leitung von Dr. Tristan Petit und Prof. Yury Gogotsi hat MXene mit eingeschlossenem Wasser und Ionen an der BESSY II untersucht. Dabei ging das Wasser mit steigender Temperatur vom Zustand als lokalisierte Eiskluster in einen quasi-zweidimensionalen Wasserfilm über. Das Team entdeckte dabei, dass diese strukturellen Veränderungen des eingeschlossenen Wassers im MXene einen reversiblen Phasenübergang bewirken: vom Metall zum Halbleiter. Dies könnte die Entwicklung neuartiger Bauelemente oder Sensoren auf Basis von MXenen ermöglichen.
- Lithium-Schwefel-Batterien mit wenig Elektrolyt: Problemzonen identifiziertMit einer zerstörungsfreien Methode hat ein Team am HZB erstmals Lithium-Schwefel-Batterien im praktischen Pouchzellenformat untersucht, die mit besonders wenig Elektrolyt-Flüssigkeit auskommen. Mit operando Neutronentomographie konnten sie in Echtzeit visualisieren, wie sich der flüssige Elektrolyt während des Ladens und Entladens über mehrere Schichten verteilt und die Elektroden benetzt. Diese Erkenntnisse liefern wertvolle Einblicke in die Mechanismen, die zum Versagen der Batterie führen können, und sind hilfreich für die Entwicklung kompakter Li-S-Batterien mit hoher Energiedichte.