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SENTECH Seltenerdnickelate für zukünftige Energietechnologien

Oxidkeramiken mit hoher Sauerstoff- und Wasserstoffionenleitfähigkeit, hoher elektronischer Leitfähigkeit und hoher katalytischer Aktivität bieten eine Reihe von zukünftigen Anwendungsmöglichkeiten im Energiebereich, wie z.B. Elektroden in Hochtemperaturbrennstoff- und -elektrolysezellen, keramische Membranen zur selektiven Sauerstoff- oder Wasserstofftrennung, elektrochemische Sauerstoff- bzw. Wasserstoffsensoren und heterogene Katalysatoren. Seltenerdnickelate An+1BnO3n+1 (A = La, Pr, Nd; B = Ni; n = 1,2,3 etc.) besitzen eine der höchsten derzeit bekannten Diffusivitäten und ionischen Leitfähigkeiten für Sauerstoff bei gleichzeitiger guter elektronischer Leitfähigkeit. Durch Substitution dieser Verbindungen auf dem A- und B-Gitterplatz bietet sich die Möglichkeit, deren Materialeigenschaften gezielt zu variieren. Bedingung hierfür ist allerdings ein tiefergehendes Verständnis der Masse- und Ladungstransporteigenschaften, Defektchemie und Struktur-Eigenschaftsbeziehungen der neuen Verbindungen, welche noch wenig erforscht sind. Besonders über die vermutete Protonenleitfähigkeit in diesen Materialien gibt es kaum Untersuchungen.

Im gegenständlichen Projekt werden auf Basis strukturchemischer Überlegungen vielversprechende neue Zusammensetzungen von A- und B-Platz substituierten Seltenerdnickelaten hergestellt und hinsichtlich Struktur-Eigenschaftsbeziehungen charakterisiert. MUL konzentriert sich dabei auf die Synthese der Materialien und deren Charakterisierung hinsichtlich Phasenreinheit, Sauerstoffnichtstöchiometrie, Sauerstoffaustauschkinetik und ionischer bzw. elektronischer Leitfähigkeit. MPI ergänzt diese Aktivitäten um die experimentelle Bestimmung der Sauerstoff- bzw. Wasserstoffaustauscheigenschaften an Dünnschichtelektroden und die Aufklärung der zugrunde liegenden Reaktionsmechanismen. Die gemeinsam erarbeiteten Ergebnisse von MUL und MPI fließen in die Erstellung von defektchemischen Modellen für die neuen Materialien ein, wobei neben den elektronischen Spezies und O-Defekten erstmals auch H-Defekte berücksichtigt werden. Das ZFE ermöglicht die Korrelation der von MUL und MPI untersuchten Masse- und Ladungstransporteigenschaften mit den mikrostrukturellen Eigenschaften durch begleitende Analysen mittels hochauflösender Raster-Transmissionselektronenmikroskopie (STEM). Unter anderem werden im Rahmen dieser Arbeiten erstmals in-situ TEM-Analysen zur Aufklärung von atomaren Strukturänderungen durch Veränderung des Sauerstoffgehalts an neuen Seltenerdnickelaten durchgeführt werden. Als Ergebnis des Projekts wird eine Wissensbasis geschaffen, welche es zukünftig ermöglicht, die Wirkungsweise von gezielter Substitution auf Struktur- und Transporteigenschaften von Seltenerdnickelaten vorherzusagen und neue Materialien für zukünftige Anwendungen im Energiebereich zu entwickeln.

Ausgangssituation

Gemischt leitende Materialien mit hoher Sauerstoff- und Wasserstoffionenleitfähigkeit, hoher elektronischer Leitfähigkeit und hoher katalytischer Aktivität bieten eine Reihe von zukünftigen Anwendungsmöglichkeiten im Energiebereich, wie z.B. Elektroden in Hochtemperaturbrennstoff- und -elektrolysezellen, keramische Membranen zur selektiven Sauerstoff- oder Wasserstofftrennung, elektrochemische Sauerstoff- bzw. Wasserstoffsensoren und heterogene Katalysatoren. Seltenerdnickelate besitzen eine der höchsten derzeit bekannten Diffusivitäten bzw. ionischen Leitfähigkeiten für Sauerstoff bei gleichzeitiger guter elektronischer Leitfähigkeit. Die Masse- und Ladungstransport­eigenschaften, Defektchemie und Struktur-Eigenschaftsbeziehungen, insbesondere der neuen A- und B-Platz substituierten Ruddlesden-Popper-Phasen, sind jedoch noch wenig erforscht. Besonders über die vermutete Protonenleitfähigkeit in diesen Materialien gibt es kaum wissenschaftliche Untersuchungen.

Projektverlauf

Das Projekt wurde mit 01.03.2016 gestartet und endet mit 28.02.2019.

Ergebnisse

Bisher erreichte Highlights:

  • Neuartiger Syntheseprozess für größere homogene Pulvermengen entwickelt (Gefriertrocknungsmethode auf Basis Acetat-Precursor)
  • Mehrere neue Seltenerdnickelate hergestellt, davon zwei Verbindungen einphasig
  • Umfangreiche Charakterisierung der synthetisierten Materialien ist erfolgt
  • Erste dicht gesinterte Proben hergestellt
  • Erste Sauerstoffaustauschmessungen und Leitfähigkeitsmessungen mit CR an Pr2Ni0.9Co0.1O4+d durchgeführt
  • Erste 18O/16O Sauerstoffaustauschmessungen mit SIMS-IEDP an Pr2NiO4+d und Pr2Ni0.9Co0.1O4+d durchgeführt
  • Thermogravimetrie an Pr2NiO4+d in trockenen und feuchten O2/N2-Atmosphären durchgeführt und defektchemisches Modell erstellt
  • PLD Targets von Pr2NiO4+d hergestellt
  • Optimierung der Parameter für PLD Prozess von Pr2NiO4+d-Filmen auf YSZ gestartet
  • Mikroelektroden-Messstand ist einsatzbereit
  • Erste erfolgreiche Versuche zur Verdichtung von Pr2NiO4+d mittels SPS
  • Mikrostrukturelle Eigenschaften von Pr2NiO4+d, Pr1.9Bi0.1NiO4+d, Pr1.0Bi1.0NiO4+d,und Pr2Ni0.9Co0.1O4+d mit lateraler Auflösung im Nanometerbereich charakterisiert
  • Bestimmung der lokalen Kristallstruktur mittels Elektronenbeugung (SAED)
  • Charakterisierung der lokalen chemischen Zusammensetzung mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDXS) bzw. über den Z-Kontrast in atomar aufgelösten High-Angle Annular Dark-Field Bildern (HAADF)
  • Charakterisierung von eventuell vorhandenen Zweitphasen bis in den Nanometerbereich hinsichtlich Verteilung (Bulk, Korngrenzen) und chemischer Zusammensetzung

Steckbrief

Projektnummer
853538
Koordinator
Montanuniversität Leoben, Lehrstuhl für Physikalische Chemie
Projektleitung
Edith Bucher, edith.bucher@unileoben.ac.at
Partner
Zentrum für Elektronenmikroskopie Graz
Max-Planck-Institut für Festkörperforschung
Schlagwörter
Neue Materialien Energiespeicherung und -umwandlung Seltenerdnickelate
Förderprogramm
Energieforschung (e!MISSION)
Dauer
01.2016 - 02.2019
Budget
577.360 €