GAANN Fellowship in Carbon-based Materials for Sustainable Building and Energy Applications

项目总结

你是一名对可持续newbb电子的先进碳基材料的跨学科研究充满热情的高性能STEM学生吗? Are you ready to pursue a doctoral degree and make a positive impact on the world?  

我们邀请您申请可持续建筑和能源newbb电子碳基材料国家需求领域研究生援助奖学金(GAANN). 

The Fellowship is awarded based on academic performance and financial need, 经学生所在院系推荐，研究生院和奖学金项目遴选委员会批准. 

资格要求 

  1. 全日制注册或被录取的博士课程的部门主办奖学金:机械工程, 化学 & 生物分子工程和物理学 & 天文学.

  2. U.S. citizen, permanent resident, or a permanent resident of a Free State 

  3. Committed to a career as a university faculty member or high-impact researcher 

  4. 优秀的本科和研究生成绩(如果适用)(累计平均绩点) 

  5. Demonstrated financial need, determined according to federal guidelines 

如何申请 

步骤1.  申请博士课程 机械工程, 化学 & 生物分子工程, or 物理学与天文学 部门.

步骤2.  博士的邮件. 杰森·特雷姆利 发抖的@俄亥俄州.edu expressing your intent to apply for the GAANN Fellowship. 

GAANN 教师 and Department Affiliations 

  • Khairul Alam, Professor, 机械工程 
  • Muhammad Ali, Professor, 机械工程 
  • 陈刚，物理系副教授 & 天文学 
  • Damilola Daramola, Assistant Professor, 化学 & 生物分子工程 
  • David Drabold (Co-Director), Distinguished Professor, Physics and 天文学 
  • Greg 克雷默 (Co-Director), Robe Professor, 机械工程 
  • Mark Lucas, Professor of Instruction, Physics & 天文学 
  • Jason 发抖的 (Director), Russ Professor, 机械工程 and 化学 & 生物分子工程 
  • John Staser, Associate Professor, 化学 & 生物分子工程 
  • Eric Stinaff, Associate Professor, Physics & 天文学 
  • Andrew Weems, Assistant Professor, 机械工程 
  • Brian Wisner, Assistant Professor, 机械工程 

研究项目

传统和生物炼制废料转化为可持续多功能碳泡沫材料(震颤), Drabold, G. 克雷默) 

建筑行业使用的能源和温室气体排放密集型材料具有显著的隐含碳，导致气候变化或木材导致森林砍伐和碳汇的损失. 目前俄亥俄州的研究是由美国政府资助的.S. 能源部正在开发从采矿废料中提取的碳泡沫材料，作为建筑材料的替代品. 该项目将调查将多种含碳废物(采矿废物)纳入原料, 回收的塑料, 地毯, 等.) for continuous carbon foam manufacturing. 原料成分, 添加剂, 并对制造工艺参数进行了研究，得出的泡沫炭的性能包括力学性能, 热, and 电 properties will be determined. 

Theory 和Simulation of Carbon Foam Properties at the atomic scale (Drabold, Daramola) 

碳泡沫中存在的碳网络是复杂的，更详细地了解这个网络可以使材料适应许多newbb电子(建筑), 电池, 运输, 和国防部门). Carbon foam is a form of low-density amorphous carbon with small, but possibly significant concentrations of O, N, H, 和S. We propose to utilize ab initio methods to develop computer models of the materials. Computer models of carbon surfaces will also be created, to determine chemical reactivity and stability. Structural phase transitions associated with growth processes will be explored. 我们提案的理论/模拟部分的基本目标是创建一套所有研究泡沫材料的逼真计算机模型, closely correlated with experimental research, with an ultimate goal of assisting in the optimization of the materials. We will also work to predict new materials to guide experimental research. 

Development and Optimization of 3D Printing Methods of Porous Carbon-Based Foams (Weems) 

3D printing has gained interest as a viable manufacturing technique of its own, 然而, there are limited types of processable materials available for use. 如果这些限制可以被克服, 通过生产需要多孔介质的新型医疗设备和环境修复，在人类健康方面有巨大的进步潜力. This potential can be further realized through a combination of polymer science, 材料工程, 机器设计, 通过设计必要的打印机和研究兼容的含碳泡沫，适用于具有可控多孔形态的集成层状结构. 到目前为止, 该领域在多孔材料3D打印方面的进步很小，单过程反应技术可以很好地集成在一起, 因此是机械稳定的, 3D打印结构. 在这个项目中, 将设计和优化反应性泡沫3D打印机，以确定所演示的环氧化物基泡沫的层整合方法. 

用光谱和晶体表征技术分析碳材料的性质, 陈) 

碳材料的结构以及下面的碳脚手架材料将确定小角x射线散射和拉曼光谱使用本地仪器. To provide additional information about the structure of the amorphous material, 材料的结构因素也将通过使用阿贡国家实验室的同步加速器x射线和橡树岭国家实验室的散裂中子源的x射线散射和中子散射来测量, 分别.  While most non-carbon elements are released in the manufacturing process, 一些杂质会残留. 碳材料中杂质的化学键和原子结构将在阿贡国家实验室使用扩展x射线吸收精细结构分析进行检查. The stability of the materials and their structure will also be studied. 科学目标是获得作为加工条件的功能的碳微观结构的系统理解. Such information will be essential to optimize the materials for application. 

Micromechanics Approach to Carbon-based Composites Development (Wisner, Weems) 

新型材料系统的开发需要详细了解微观结构及其响应外部载荷的演变. 本项目旨在通过使用包括声发射(AE)和数字图像相关(DIC)在内的多尺度无损评估(NDE)工具，确定碳基泡沫和复合材料的材料失效机制。. 将监测损伤的成核和演变，以确定材料的微观响应以及对包括弹性模量和疲劳响应在内的性能的影响. 研究将在宏观和微观尺度上进行，以将微观力学与整体行为联系起来.  这种水平的理解对于创建微观结构-性能联系至关重要，可以利用这种联系来创建用于定制目的的碳基材料. 这项工作将扩展到研究背后的机制泡沫碳和复合材料以及.  

Finite Element Study of Functionally Graded Composite Cellular Foams (Ali,  Alam) 

在产品设计上, from conception to real-world application, 有限元分析方法已被证明是设计探索中最经济、最省时的方法之一, 收敛, 和优化. 在这个项目中, finite element approach will be adopted to study the 热, 电, and structural response of functionally graded open and closed cell carbon-based foams. Foams will be characterized to determine material properties to support numerical models. 模型将被验证, 并在适当的初始和边界条件下进行分析，以确定电学, 热, and structural behavior of the functionally graded carbon composites. 如果成功, 该项目将为功能梯度复合材料和碳细胞泡沫材料在包层中的潜在newbb电子提供有意义的信息, 太阳能电池板, and structural components where high strength to weight ratio is highly desired.  

Carbon Quantum Dots for Sensor and Energy Applications (Staser) 

碳量子点(CQDs)是纳米尺度的碳材料，具有有趣的光学和电学性质. 通常在直径5-25纳米量级, CQDs can be synthesized by several different processes from a wide range of carbon sources, 包括遗留的采矿材料.  其独特的光学和电学特性使CQDs在广泛的系统中得到newbb电子, 包括细胞成像和药物输送, 电化学紫外传感, and for 电化学电容器电极. GAANN研究员将有机会在他们的项目中从事碳量子点的研究. 具体地说, GAANN研究员将与教师导师密切合作，改进现有技术并开发新的技术，以煤和pet焦合成CQDs, 着眼于使这一过程更经济高效，更环保. CQD表面性质将被表征和评估一系列newbb电子，包括紫外线传感器, 电化学电容器电极, and as conductive supports for other photosensitive materials.   

Thermoset-based Carbon Composites for Building and Energy Applications (Daramola) 

目前绿色建筑的一些方法包括使用由木颗粒/纤维组成的工程木复合材料，这些复合材料使用粘合剂(包括酚醛和聚氨酯基热固性粘合剂)粘合在一起. 另一种方法可以使用废碳材料和改性的粘合剂，以具有碳热固性键形成的适当功能. 这种方法最大限度地减少了木材残渣产生的能源使用和最终复合材料的吸水潜力. 在这个项目中, 这个家伙将学习高分子合成, 复合材料制造和机械和热性能分析，以建立结构-性能-加工关系. 目标是开发一种工程碳基复合材料，它可以提供与基于拉伸的工程木材相似或更好的性能, flexural and 热 properties for building applications. 

由低密度导电碳材料制成的太阳能光伏建筑材料, 克雷默, Drabold) 

Solar photovoltaic (PV) devices hold great promise to provide U.S. energy security while reducing GHG emissions. Solar PV generation increased by 22% in 2019, and annual growth rate of 15% is projected through 2030. 最你.S. 太阳能发电装置是大型集中式系统，不能解决电网的脆弱性, such as the impact of extreme weather events. 家庭分布式光伏装置, 建筑, and industry address grid vulnerability; 然而, distributed solar PV installation capacity has trailed centralized facilities due to cost. 喷涂PV材料, 比如钙钛矿, 如果能将分布式太阳能光伏集成到建筑材料中，就有可能大幅降低成本. 碳泡沫材料已被证明具有导电性，俄亥俄州最近的研究表明，由传统采矿废料制成的连续制造的碳泡沫可以导电. 德拉博尔德和他的团队将与我们合作，研究这些材料的原子传输模型.  该项目将评估碳泡沫材料制成导电覆层或屋顶材料的能力，这些材料可能与喷涂钙钛矿光伏材料相结合. 将根据ASTM规范对泡沫碳配方和处理条件进行研究，以评估机械和电气性能.    

Functionalization and Novel Properties of Carbon-Based Materials (Stinaff, Chen, Drabold) 

碳的各种同素异形体显示出广泛的有用特性，从金刚石的硬度到石墨烯的非凡导电性. 这项工作的目标是通过将特定结构形式的碳与其他材料结合来开发这些特性. 例如, 利用碳泡沫材料的多孔结构可以提供一个框架，以结合层状材料，如二维过渡金属二硫化物(TMDs)。. 将tmd的半导体特性与导电碳材料相结合，可能会导致光伏等newbb电子, 能量储存, 、光催化. 我们将研究利用碳材料作为载体，融入功能材料, 例如tmd, through various techniques such as chemical and/or physical vapor deposition. 我们还将与理论密切合作，以模拟材料之间的相互作用，并指导碳材料的加工以及材料的结合. 

可持续系统设计——追求国际建筑行业结构材料和系统的净零碳排放(克莱默), 发抖的, Daramola)  

According to the World Green Building Council, 建筑 are currently responsible for about 39% of global energy-related carbon emissions, 其中约70%来自运营排放(施工后)约30%来自隐含排放(从摇篮到入住).  一切照旧的预测预测，到2050年实际碳排放量和实际碳排放量将接近持平, 展示可持续设计创新的需求，解决整个生命周期的碳排放问题.  该项目将追求建筑材料和方法的系统级创新，将建筑系统的功能需求结合在一起, improvements in embodied carbon assessments, improvements in building information modeling/monitoring and data analytics, and various existing and proposed means of energy harvesting for system-level efficiencies.  这个项目的输出, 除了新建筑系统的原型开发，最大限度地减少总生命周期碳排放，还包括进一步开发“实用可持续性设计”方法，该方法利用现有的评估环境产品声明的工作，制定更实用的可持续性措施，减少错误信息的问题，例如导致塑料回收实际水平远低于预测的问题.