Phasenumwandlungen von Eisensupraleitern durch Anlegen eines externen Potentials, untersucht mit elektrochemischen Methoden und in-situ Synchrotronröntgenbeugung

• Antragsteller: Dr. Bertold Rasche
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 394435469

Ziel dieses Projektes ist die Untersuchung von Phasenumwandlungen von Eisensupraleitern bei Anlegen eines externen elektrischen Potentials. Da ein externes Potential direkten Einfluss auf das chemische Gleichgewicht ausübt, ermöglicht diese Methode, ansonsten metastabile Phasen bei Standardbedingungen zu synthetisieren. Obwohl prinzipiell alle Phasenumwandlungen möglich sind, eignen sich für solche Untersuchungen insbesondere Interkalations- und Deinterkalationsreaktionen von Schichtverbindungen (das Ein- bzw. Ausbauen von Ionen zwischen ansonsten unveränderten Schichten). Letztere Prozesse bilden auch die Grundlage der modernen Lithiumionenbatterien.Die untersuchten Materialien werden wahlweise direkt als Elektroden oder als dispergierte Partikel zusammen mit einer inerten Elektrode eingesetzt. Anhand solcher Experimente lassen sich sowohl thermodynamische Daten (z.B. das Redoxpotential) als auch kinetische Informationen (z.B. zum geschwindigkeitsbestimmenden Schritt) zu einer Reaktion sammeln. Die erhaltenen Daten können z.B. für optimierte, quantitative Synthesen genutzt werden.Wohingegen eine strukturelle Charakterisierung vor und nach einer Umwandlung (z.B. mittels Röntgenbeugung oder Transmissionselektronenmikroskopie) selbstverständlich ist, können mit der hier vorgeschlagenen Methode der in-situ Röntgenbeugung ebenfalls intermediäre Phasen entdeckt werden. Als Materialien eignen sich die hier vorgeschlagenen Verbindungen aus der Klasse der Eisensupraleiter für diese Art von Experimenten aufgrund ihrer Schichtstruktur. Dennoch sind bisher nur wenige elektrochemische Untersuchungen publiziert worden und keine mit in-situ Röntgenbeugung. Demzufolge sind kinetische Daten zu den Umwandlungen rar. Darüber hinaus ist die Supraleitung in diesen Materialien sehr stark von der Struktur und vor allem von der Zusammensetzung abhängig. Die Struktur kann sehr gut mittels in-situ Röntgenbeugung verfolgt werden, während die Elektrochemie eine präzise Kontrolle der Zusammensetzung anhand des Ladungsübertrags erlaubt. Zudem existieren in diesen Phasensystemen Strukturen welche unter verschiedensten Bedingungen (z.B. wässrig und nicht-wässrig) stabil sind und in verschiedensten Morphologien synthetisiert wurden. Dies liefert eine gute Auswahl an möglichen Verbindungen, von welchen einige in den hier vorgeschlagenen Experimenten kontrollierbar sein sollten.Obwohl dieses Projekt auf grundlegende Eigenschaften der vorgestellten Strukturen abzielt, lässt sich anhand der vorgeschlagenen Methoden unter Umständen ein neuer, allgemeingültiger Ansatz zur Beurteilung von Nanomaterialien für ihre Anwendbarkeit in Batterien ableiten.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Gastgeber: Professor Dr. Simon J. Clarke; Professor Richard G. Compton