Diffusion von Wirt- und Dotierungskationen in dotiertem Ceroxid: Ein experimenteller und computergestützter Ansatz

• Antragsteller: Professor Roger De Souza, Ph.D.; Professor Dr. Steffen Neitzel-Grieshammer
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 576674359

Dotiertes Ceroxid (CeO2) ist ein bekannter Sauerstoffionenleiter, der in elektrochemischen Anwendungen wie z.B. Festoxidbrennstoffzellen verwendet wird. Durch Dotierung mit dreiwertigen Oxiden – beispielsweise Gd2O3 – entstehen mobile Sauerstoffleerstellen, welche die hohe ionische Leitfähigkeit bei erhöhten Temperaturen ermöglichen. Zahlreiche Studien haben die Sauerstoffionenleitfähigkeit sowie deren Abhängigkeit von Temperatur, Dotierungstyp und -konzentration untersucht.Im Vergleich ist die Kationendiffusivität in CeO₂ bislang deutlich schlechter untersucht. Dies steht im Gegensatz zu der Tatsache, dass die Anordnung der Kationen die Sauerstoffionenleitfähigkeit sowohl im Korninneren als auch an den Korngrenzen maßgeblich beeinflusst. Ein vertieftes Verständnis der Kationendiffusivität ist somit entscheidend, um die Entwicklung der Kationenordnung, die Bildung von Raumladungszonen an Korngrenzen und die Alterung des Materials während des Betriebs nachzuvollziehen, welche zu einer Verschlechterung der Ionenleitfähigkeit führt. Darüber hinaus wirkt sich die Kationendiffusivität auf das Sinterverhalten und Entmischungsprozesse aus. Das Wissen über diese Diffusionsprozesse ist daher von zentraler Bedeutung für eine umfassende Charakterisierung des Materials, die über die reine Sauerstoffleitfähigkeit im Volumen hinausgeht.Dieses Projekts zielt darauf ab, die Diffusion von Wirts- und Dotierungskationen in CeO2 durch eine Kombination von experimentellen und computergestützten Methoden zu bestimmen und die zugrundeliegenden Mechanismen aufzuklären. Das finale Ziel ist das Verständnis des Diffusionsprozesses, der zeitabhängigen Ordnung der Kationen und der Auswirkung auf die Leitfähigkeit an den Korngrenzen. Die Abhängigkeit der Kationendiffusion von Temperatur, Sauerstoffpartialdruck und Dotierungskonzentration wird dabei systematisch untersucht werden. Experimentell wird die Kationendiffusion aus Diffusionsprofilen bestimmt werden, welche mittels Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) gemessen werden. Auf der computergestützten Seite werden unterschiedliche aktuelle Methoden kombiniert werden um Defektenergien, Migrationsmechanismen, Diffusionskoeffizienten und die Entwicklung der Kationenordnung zu bestimmen. Diese Methoden umfassen Dichtefunktionaltheorie (DFT), Kinetik Monte Carlo-Simulationen (KMC), Machine Learning Potentiale (MLP) und beschleunigte Moleküldynamiksimulationen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen