Niobat-Funktionsmaterialien für Energiespeicher-/Umwandlungsanwendungen: Untersuchung der Abhängigkeit des Kationeneinbaus von Nb2O5-Löslichkeit, -Eigenschaften und -Kristallisationsverhalten

• Antragstellerin: Dr. Maria Rita Cicconi
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 524824666

Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung, Herstellung und Charakterisierung einer neuen Klasse von Gläsern und Glaskeramiken auf der Grundlage von Niob, die sich durch ihre optischen/elektrischen Eigenschaften für die Funktionalisierung prädestiniert sind. Niob ist ein vielseitiges Element, das in Gläsern einen hohen Brechungsindex, große nichtlineare optische Suszeptibilitäten und eine starke UV-Absorption aufweist und gleichzeitig eine hohe Transparenz im sichtbaren Bereich beibehält. In kristallisierter Form kann es Phasen mit einzigartigen Eigenschaften, wie z. B. elektro-optische und elektro-mechanische Kopplung, photorefraktive und nichtlineare optische Eigenschaften, stabilisieren (z. B. LiNbO3, NaNbO3, KNbO3). Außerdem wird die (K0.5Na0.5)NbO3-Zusammensetzung als entscheidend für die Entwicklung umweltfreundlicher Ferroelektrika angesehen. Die Kombination der Hochtemperaturstabilität und der optischen Anwendungen einer porenfreien und chemisch/mechanisch stabilen Aluminosilikatglasmatrix mit den funktionellen Eigenschaften der darin dispergierten Kristalle auf Nb-Basis würde einen wichtigen Schritt nach vorne bei der Entwicklung multifunktioneller Materialien (Glaskeramiken) ermöglichen. Diese neuartigen Glaskeramiken würden zahlreiche Anwendungen in der Optik und in den fortgeschrittenen energiebezogenen Technologien, wie z. B. die Erzeugung zweiter Harmonischer (oder Frequenzverdopplung), down- /up-conversion, Pyroelektrizität, Piezoelektrizität, dielektrische Hochenergiespeicherung... ermöglichen. Um das Entwicklung dieser fortschrittlichen funktionalisierten Materialien zu ermöglichen, müssen i) die Entwicklung der lokalen Struktur der Nb5+-Ionen und die Verzerrung ihrer Koordinationspolyeder in Abhängigkeit von der Glaspolymerisation und der möglichen Wechselwirkung mit anderen Elementen im amorphen Netzwerk und ii) die Auswirkungen der Chemie/Verbindungsfähigkeit auf die Kristallisationsmechanismen und die Mikrostruktur der Glaskeramik verstanden werden. Ziel dieses Projekts ist es, diese entscheidenden Fragen zu beantworten, die Auswirkungen der Glaschemie und des Nb2O5-Gehalts auf die strukturelle Entwicklung der Nb5+-Einheiten zu quantifizieren und die Niobat-Löslichkeit, dem Kristallisationsverhalten und den Eigenschaften in Abhängigkeit von der Kationeneinbindung, zu untersuchen. Darüber hinaus werden wir fortschrittliche Charakterisierungen der entwickelten Niobo-Aluminiumsilikate durchführen, um die funktionellen Eigenschaften (optische und elektrische Eigenschaften) zu quantifizieren, die über potenzielle Anwendungen für das Lichtmanagement und energiebezogene Technologien (Energieumwandlung und Energiespeicherung) entscheiden werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen