Bestimmung von Platzenergieverteilungen und Defekt-Phasendiagrammen von Metall-Wasserstoff-Systemen durch kontrollierte Wasserstoffbeladung und thermodynamische Modellierung

• Antragsteller: Dr. Stefan Wagner
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 585400508

Die moderne Materialwissenschaft und -entwicklung fokussiert sich naturgemäß auf die Mikrostruktur, da die Gesamtheit der Phasen und Kristallbaufehler sowie deren Wechselwirkung mit gelösten Atomen die grundlegenden Eigenschaften von Materialien bestimmen. Um den Zustand von Materialien zu beschreiben, wurden daher kürzlich Defektphasen als Komplexe aus Defekten und gelösten Atomen in die thermodynamische Beschreibung von Materialien eingeführt. Die Stabilitätsbereiche von Defektphasen bei gegebenem chemischen Potenzial werden durch das Spektrum der Wechselwirkungsenergien zwischen gelösten Atomen und Defekten bestimmt, die in der Regel durch fortgeschrittene Methoden der Festkörperphysik und der Quantenmechanik approximiert werden müssen. Bis heute ist es jedoch schwierig, sie experimentell zu untersuchen. Im Unterschied zu den meisten Legierungen außer Interkalationssystemen ermöglichen Metall-Wasserstoff-Systeme eine kontinuierliche Veränderung der Konzentration der gelösten Atome, hier in Form des hochmobilen Wasserstoffs, durch kontrollierte Wasserstoffbeladung. Dies macht sie zu idealen Modelllegierungen, um Defektphasendiagramme experimentell zu untersuchen. Wenn das chemische Potenzial von Wasserstoff in situ bei einer jeweils eingestellten globalen Wasserstoffkonzentration gemessen wird und plausible Annahmen über die Arten der beteiligten Defekte und die Form ihrer Platzenergiespektren getroffen werden, ermöglicht dies die Rekonstruktion der Defektdichte, der lokalen Wasserstoffkonzentration und der Platzenergieverteilung des Materials aus den gemessenen Isothermen. Daraus folgt das Defektphasendiagramm durch Integration des chemischen Potenzials. In diesem Projektvorschlag wählen wir das Vanadium-Wasserstoff (V-H)-System als Modell, um experimentell Platzenergiespektren und Defektphasendiagramme zu bestimmen, und somit den thermodynamischen Zustand des Systems durch die Kombination der Messung des chemischen Potenzials und thermodynamischer Modellierung zu beschreiben. Das V-H-System ist ein wichtiges Modellsystem für Wasserstoffspeichermaterialien mit bcc-Struktur und hoher H-Löslichkeit sowohl im Mischkristall als auch in der Hydridphase. Durch geeignete Präparation der Proben können die Defektstruktur des Vanadiums variiert und verschiedene physikalische Zwangsbedingungen eingestellt werden, die die thermodynamische Stabilität der Defektphasen verändern. Dies ermöglicht es uns, Defektphasendiagramme für verschiedene Zustände des V-H-Systems zu untersuchen. Damit kann das vorgeschlagene Projekt anderweitig komplexe theoretische Ansätze zur Bestimmung von Defektphasendiagrammen durch Messungen und thermodynamische Überlegungen komplementieren, und es liefert ein experimentelles Werkzeug zur Beschreibung des Zustands von Materialien mit gelösten Atomen unter unterschiedlichen Zwangsbedingungen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen