Brennstoffzell-Systeme mit Fokus auf biologischen Brennstoffzellen : Entwicklung und Optimierung von schulgeeigneten Experimenten, Konzepten und Medien / von Rebecca Grandrath. Wuppertal, 2021
Inhalt
- Einleitung
- Thematische Hinführung
- Eindrücke vom Wissenstand Studierender zum Thema Brennstoffzelle
- Eindrücke einer Befragung von Chemie-Lehrkräften
- Zielsetzung der Arbeit
- Aufbau der Arbeit
- Grundlagen zu Brennstoffzellen
- Brennstoffzelltypen
- Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen
- Alkalische Brennstoffzellen
- Direkt-Alkoholische Brennstoffzellen
- Biologische Brennstoffzellen
- Mikrobielle Brennstoffzellen
- Elektronenübertrag auf Anode
- Exogene Redox-Mediatoren
- In MFC eingesetzte Mikroorganismen
- Anwendungsgebiete
- Bestehende Herausforderungen
- Enzymatische Brennstoffzellen
- Eigene Untersuchungen und Ergebnisse
- Alkalische Brennstoffzelle
- Variation der Elektrolyt-Konzentration
- Variation der Elektroden
- Variation der Zellgeometrie
- Zwischenfazit zum Modellversuch zur alkalischen Brennstoffzelle
- Brennstoffzelle mit Alltagschemikalien
- Ansetzen der Elektrolyt-Lösung mit Kochsalz
- Ansetzen der Elektrolyt-Lösung mit Backpulver
- Ansetzen der Elektrolyt-Lösung mit Natron
- Leitungswasser als Elektrolyt-Lösung
- Zwischenfazit zur Modell-Brennstoffzelle mit Alltagschemikalien
- Direkt-Alkoholische Brennstoffzelle
- Variation des Brennstoffes
- Variation der Elektrolyt-Konzentration
- Variation der Halbzellseparation
- Variation der Luftzufuhr
- Verwendung von Platinelektroden
- Variation der Elektrolyt-Lösung
- Zwischenfazit zum Modellversuch zur DAFC
- Mikrobielle Brennstoffzellen mit Bäckerhefe
- Stoffwechsel der Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae
- Redox-Aktivität von Bäckerhefe
- Erprobung verschiedener Redox-Indikatoren
- Vergleichender Einsatz von Frisch- und Trockenhefe
- Temperaturabhängigkeit der Redox-Aktivität
- Hefe-Brennstoffzelle im Zwei-Topf-Aufbau
- Versuchsanordnung nach Silveira.2017
- Einfluss exogener Redox-Mediatoren
- Variation der Elektrolyt-Brücke
- Variation der Elektrolyt-Lösung in der Brücke
- Variation der Elektroden
- Variation der Lösung im Kathodenraum
- Variation des Glucose-Gehaltes der Lösungen im Anoden- und Kathodenraum
- Veränderung des pH-Wertes im Anodenraum
- Variation des Substrates
- Einfluss des Lufteintrags in die Kathodenhalbzelle
- Zwischenfazit zur Hefe-Brennstoffzelle im Zwei-Topf-Aufbau
- Hefe-Brennstoffzelle im Ein-Topf-Aufbau
- Variation der Halbzellfassung
- Versuchsanordnung nach Bennetto.1990
- Variation des Substrats
- Kopplung mit dem Mikrocontroller Arduino
- Zwischenfazit zur Hefe-Brennstoffzelle im Ein-Topf-Aufbau
- Hefe-Brennstoffzelle im Kompakt-Aufbau
- Mikrobielle Brennstoffzellen mit Milchsäure-Bakterien
- Variation des Substrats
- Variation der Einwaage an Milchsäure-Kulturen-Präparat
- Variation des Tensids
- Variation der Elektrodenflächen
- Variation der Elektrodenbeschichtung
- Variation des Reservoirs
- Zwischenfazit zu mikrobiellen Brennstoffzellen mit Milchsäure-Kulturen-Präparat
- Enzymatische Brennstoffzelle mit -Glucoseoxidase und Laccase
- Funktionsweise des enzymatischen Systems
- Vergleich der Lang- und Kurzversion nach Ge.2011
- Variation der Elektrodenbeschichtung
- Variation des Zusammenbaus
- Anzahl der Auftragszyklen
- Notwendigkeit der Tensidzugabe
- Notwendigkeit der Laccase
- Variation der Elektrodenflächen
- Zwischenfazit zur enzymatischen Brennstoffzelle mit -Glucoseoxidase und Laccase
- Enzymatische Brennstoffzelle mit Lactase
- Aufbau und Wirkungsweise des Enzyms Lactase
- Nachweis der Aktivität von Lactase-Darreichungsformen
- EFC mit Lactase im Stapelaufbau
- Variation der Zellfixierung
- Variation der Einwaage des Enzym-Präparats
- Verwendung thermisch behandelter Enzym-Präparate
- Variation des Tensids
- Vergleichender Einsatz von destilliertem Wasser und Leitungswasser
- Einsatz verschiedener Elektrodenmaterialien
- Zwischenfazit zur EFC mit Lactase im Stapelaufbau
- EFC mit Lactase(-Präparat) im Zwei-Topf-Aufbau
- Betrieb des Zwei-Topf-Aufbaus
- Monitoring des pH-Wertes während der -Galactosidase-Aktivität
- Monitoring des Sauerstoffgehalts in der Lösung des Kathodenraums
- Effekt des Einleitens von Umgebungsluft in den Kathodenraum
- Zwischenfazit zur enzymatischen Brennstoffzelle mit Lactase
- Didaktische Betrachtungen
- Bildung für Nachhaltige Entwicklung
- Perspektive MINT
- Digitalisierung
- Didaktische Standortbestimmung
- Brennstoffzellen in den Lehrplänen der Sekundarstufe I in Nordrhein-Westfalen
- Frequenzanalyse der bundesweiten Verankerung des Themas Brennstoffzelle in den Lehrplänen der Sek. II an Gymnasien
- Brennstoffzellen in Schulbüchern für das Fach Chemie in Nordrhein-Westfalen
- Brennstoffzellen in der fachdidaktischen Literatur
- Übersicht und Einblick in entwickelte Materialien
- Videos
- Interviewsequenzen an der Universität Hohenheim
- Mikrobielle Brennstoffzellen - Kurzportrait -
- Videos zu Schulversuchen der Hefe-Brennstoffzelle
- Analoge Materialien
- Aufbau des Skripts zu Brennstoffzellen weitergedacht! für Lernende der Sekundarstufe II
- Aufbau des Skriptes zur Lehrkräftefortbildung
- Entwickelte E-Books
- Entwickelte Lernarrangements
- Methodisch-didaktische Anmerkungen
- Anmerkungen zur didaktischen Begleitforschung
- Brennstoffzellen weitergedacht!
- Ziele
- Angestrebte fachliche Teilkompetenzen
- Angestrebte methodische Teilkompetenzen
- Angestrebte personale und soziale Teilkompetenzen
- Notwendiges Vorwissen
- Medien und Materialien
- Aufbau und Inhalte des Lernarrangements
- Situation der Teilerprobung
- Anpassung an die Situation der Teil-Erprobung
- Evaluation der Teilerprobung
- Charakterisierung der Stichprobe
- Persönliches Resultat der Teilnehmenden
- Anmerkungen zum Kursverlauf und resultierende Impulse
- Erprobungssituation
- Anpassungen an die Erprobungssituation und bestehende Herausforderungen
- Evaluation der Erprobung
- Charakterisierung der Stichprobe
- Motivation zur Projektkursteilnahme
- Persönliches Interesse, Umfeld und Zukunftspläne
- Vorwissen und Wissen unmittelbar nach Kursende im Vergleich
- Feedback zum Lernarrangement
- Fazit und Impulse aus der Evaluation
- Alleskönner Brennstoffzellen?!
- Ziele
- Notwendiges Vorwissen
- Medien und Materialien
- Aufbau und Inhalte
- Erprobungssituation
- Anpassung an die Erprobungssituation und bestehende Herausforderungen
- Evaluation der Erprobung
- Charakterisierung der Stichprobe
- Motivation zur Projektkursteilnahme
- Persönliches Interesse, Umfeld und Zukunftspläne
- Vorwissen und Wissen unmittelbar nach Kursende im Vergleich
- Feedback zum Lernarrangement
- Fazit und Bemerkungen zu der Evaluation
- Exkurse zu biologischen Brennstoffzellen
- Ziele
- Exkurs zur biologischen Brennstoffzellen für die Sekundarstufe I
- Notwendiges Vorwissen
- Medien und Materialien
- Experimente
- Aufbau und Inhalte
- Erprobungssituation
- Eindrücke aus der didaktischen Begleitforschung
- Exkurs zu mikrobiellen Brennstoffzellen für die Sekundarstufe II
- Notwendiges Vorwissen
- Medien und Materialien
- Experimente
- Aufbau und Inhalte
- Erprobungssituation
- Eindrücke aus der didaktischen Begleitforschung
- Schlussbemerkungen zu den Exkursen zu biologischen Brennstoffzellen
- Lehrkräftefortbildung
- Zusammenfassung
- Literatur
- Abbildungsverzeichnis
- Tabellenverzeichnis
- Anhang
- Glossar
- Experimentalteil
- Geräte
- Chemikalien und sonstige Komponenten
- Experimentieranweisungen
- Modellversuch zur alkalischen Brennstoffzelle
- Modellversuche zur Brennstoffzelle mit Alltagschemikalien
- Modellversuch zur Direkt-alkoholischen Brennstoffzelle
- Mikrobielle Brennstoffzellen mit Bäckerhefe
- Redox-Aktivität von Bäckerhefe
- Hefe-Brennstoffzelle im Zwei-Topf-Aufbau
- Versuchsanordnung nach Silveira.2017:
- Einfluss exogener Redox-Mediatoren:
- Variation der Elektrolyt-Brücke:
- Variation der Elektrolyt-Lösung in der Brücke:
- Variation der Elektroden:
- Variation der Lösung im Kathodenraum:
- Variation des Glucose-Gehaltes der Lösungen im Anoden- und Kathodenraum:
- Veränderung des pH-Wertes im Anodenraum:
- Variation des Substrats:
- Einfluss des Lufteintrags in die Kathodenhalbzelle:
- Hefe-Brennstoffzelle im Ein-Topf-Aufbau
- Variation der Halbzellfassung:
- Versuchsanordnung nach Bennetto.1990:
- Variation des Substrats:
- Kopplung mit dem Mikrocontroller Arduino:
- Hefe-Brennstoffzelle im Kompakt-Aufbau
- Mikrobielle Brennstoffzellen mit Milchsäure-Bakterien
- Enzymatische Brennstoffzelle mit -Glucoseoxidase und Laccase
- Enzymatische Brennstoffzelle mit Lactase
- Übersicht des digitalen Anhangs
- Brennstoffzellen in den Lehrplänen des Chemieunterrichts in der Sekundarstufe II
- Items der Schülerfragebögen zur Motivation und Reflexion
- Ergänzungen zu den Lernarrangements
- Ergänzungen zu Brennstoffzellen weitergedacht!
- Ergänzungen zu Alleskönner Brennstoffzellen?!
- Exkurs zu biologischen Brennstoffzellen für die Sekundarstufe I
- Exkurs zu biologischen Brennstoffzellen für die Sekundarstufe II
- Ergänzungen zur Lehrkräftefortbildung