Untersuchung der Sauerstoff-Diffusionsmechanismen in Pr2NiO4+d unter in situ-Bedingungen mittels Neutronenstreuung: Wechselwirkung zwischen Struktur und Gitterdynamik

• Antragsteller: Dr. Martin Meven
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 431446509

Ziel des Projekts ist die Untersuchung des Einflusses der Gitterdynamik und Sauerstoff-Ordnung auf die Verstärkung der Sauerstoff-Mobilität bei niedrigen Temperaturen in dem K2NiF4-typ-Oxid Pr2NiO4+d. Indem die Eigenschaften der Sauerstoffmobilität von Raum- bis zu hohen Temperaturen erfasst werden, kann die Gültigkeit und Übertragbarkeit eines neu vorgeschlagenen Phononen-unterstützten Sauerstoff-Diffusionsmechanismus geprüft werden. Falls sich bestätigt, dass die Sauerstoffmobilität bei niedrigen Temperaturen im Wesentlichen durch Gitterinstabilitäten in Verbindung mit energiearmen Phononmodi ausgelöst wird, ist dies von großer Bedeutung sowohl für ein grundlegendes Verständnis des Diffusionsmechanismus selbst als auch für das Designkonzept und die Optimierung neuer Sauerstoffionenleiter. Es ist offensichtlich, dass dies deren Anwendungspotenzial für eine Vielzahl technologischer Anwendungen, beispielsweise Sauerstoffmembranen, Sensoren oder Katalysatoren, insbesondere im Niedertemperaturbereich, erheblich verbessern wird. Pr2NiO4 + d stellt einen Sonderfall dar, da es bereits bei mäßigen Temperaturen eine hohe Sauerstoffdiffusionsrate zeigt. Es kann reversibel eine erhebliche Menge Sauerstoff aufnehmen bis hin zu Pr2NiO4.25 bei maximaler Beladung. Die Anwesenheit zusätzlicher - interkalierter - Sauerstoffatome auf einem Teil der freien Zwischengitterplätze innerhalb der Pr2O2-Steinsalzschichten bewirkt eine deutliche lokale Störung, die zu großen anisotropen Verschiebungen der apikalen Sauerstoffatome führt. Diese Verschiebungen sollen dynamisch leicht anregbare Sauerstoffdiffusionswege erzeugen zwischen den apikalen und interstitiellen Stellen über einen Phonon-unterstützten Diffusionsmechanismus. Unsere Absicht hier ist, die spezifische Rolle der interstitiellen Sauerstoffatome am Sauerstoffdiffusionsmechanismus in situ bei moderaten Temperaturen zu untersuchen. Die Struktur und Gitterdynamik von nicht-stöchiometrischem Pr2NiO4 + d werden an Einkristallen untersucht, wobei elastische und inelastische Neutronenstreuungsexperimente kombiniert werden. Die Verwendung eines neuen Spiegelofens mit einer Quarzkammer ermöglicht die gezielte Einstellung der Sauerstoffkonzentration in kleinen Schritten in einer kontrollierten Gasatmosphäre zwischen RT und 950 °C. Die Auslenkungsamplituden der interstitiellen und apikalen Sauerstoffatome werden mittels Gitterdynamik als Funktion des Sauerstoffüberschusses d und der Temperatur T korreliert. Das finale Ziel besteht darin, die Sauerstoffordnung/-störung und die damit verbundene Bildung von 'soften' Phononmodi als allgemeine Voraussetzung für Sauerstoffmechanismen bei niedrigen Temperaturen in festen Oxiden zu identifizieren. Mit diesem neuen Konzept kann der klassische Arrhenius-Ansatz, der derzeit zur Beschreibung der Ionenmobilität und der zugehörigen Aktivierungsenergien bei ausreichend hohen Temperaturen verwendet wird, erweitert und ergänzt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Georg Roth
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Dr. Monica Ceretti; Privatdozent Dr. Antoine Villesuzanne