In-situ-Verfahren zur Bestimmung hoher Sauerstoffdefizite in Cer-Zirkonium-Mischoxiden

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Holger Fritze; Professor Dr.-Ing. Ralf Moos
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 536885464

Cer-Zirkonium-Mischoxide (CZO) weisen neben katalytischen Eigenschaften ein hohes Sauerstoffdefizit auf, das in der ersten Projektphase in situ mit resonanten Nanowaagen, einem mikrowellenbasierten Ansatz und mittels Impedanzspektroskopie im Detail an Pulvern, Keramiken und Schichten mit geringen, aber identischen Verunreinigungen untersucht wurde. Die Zusammenführung der Nichtstöchiometrie- und der Impedanz-Daten führte zur Klärung der Defektbildung und der maximal erreichbaren Sauerstoff-Nichtstöchiometrie unter besonderer Berücksichtigung der Probenmorphologie. Weiterhin wurde die chemische Expansion von CZO-Schichten ermittelt, die höher als die von Ceroxid ist. Beobachtet wird ein extrem hohes Sauerstoffspeichervermögen, dem eine hohe chemische Expansion entgegensteht, die möglicherweise den Einsatz von CZO unter wechselnden Sauerstoffpartialdrücken wie bei reversiblen Brennstoffzellen durch Rissbildung einschränkt. In der zweiten Förderperiode wird der Fokus durch die Einbeziehung von Fremdatomen (Ru) bzw. Dotierungen (Fe, Mn) erweitert, sowie deren Einfluss auf die Stabilität und die Reduktion von CO2 und H2O bei nachhaltigen Energieträgern ermittelt. Eine weitere wesentliche Zielstellung ist die Verminderung der chemischen Expansion bzw. der Abbau von mechanischen Spannungen in CZO-Schichten durch Fremdatome. Zu klären ist, ob die Korrelation von Sauerstoffnichtstöchiometrie und chemischer Expansion auf diese Weise aufgebrochen werden kann und ob an Korngrenzen segregierte Fremdatome den Abbau mechanischer Spannungen erlauben. Die im Antrag näher erläuterte Hypothese besteht darin, dass die Reduzierbarkeit von CZO durch die gezielte Dotierung und ggf. durch die Nanostruktur weiter verstärkt werden und mechanische Spannungen durch Fremdatome abgebaut werden können. Darüber hinaus soll ein grundlegendes Bild über die dominierenden Defektmechanismen in dotierten CZO-Systemen gewonnen werden. Neben der Nanogravimetrie sind dabei die mikrowellenbasierte Analyse des Oxidationsgrads von dotiertem CZO und die Operando-Beobachtung des Einflusses auf die Reduktion von CO2 und H2O Schwerpunkte. Im Speziellen soll der Einfluss von Dotierstoffen geklärt werden. Außerdem soll die Reduktion mit dem Hochfrequenzverfahren "at work" beobachtet werden, um Empfehlungen bezüglich der Eignung von CZO-Materialien für die Erzeugung von z. B. solaren Kraftstoffen abzuleiten. Die Forschungsstrategie besteht darin, gemeinsame Proben zu präparieren, diese in beiden Laboren zu vermessen, die Daten zu korrelieren und gemeinsam für eine Modellbildung zu nutzen. Der Ansatz basiert auf den komplementären Kompetenzen der Antragsteller und bietet punktuell Redundanzen, die die Verlässlichkeit der Daten erhöhen. Die zu erwartenden Ergebnisse vertiefen das Verständnis der Defektchemie von dotierten Cer-Zirkon-Mischoxiden bei hohen Sauerstoffdefiziten und bilden gleichzeitig die Voraussetzung zur In-situ-Überwachung entsprechender Hochtemperatur-Systeme.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen