Leistungsfähige mischleitende Membranen mit nanoskaligen Funktionsschichten

• Antragstellerinnen: Professorin Dr. Dagmar Gerthsen; Professorin Dr.-Ing. Ellen Ivers-Tiffée
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 253134279

Reiner Sauerstoff ist ein in der Industrie vielfach benötigter Rohstoff, der bisher energieintensiv durch die Destillation verflüssigter Luft gewonnen wird. Die energieeffiziente Alternative trennt Sauerstoff aus verdichteter Luft mithilfe einer Membran ab und eröffnet so eine Reihe neuer Einsatzgebiete, wie beispielsweise CO2-neutrale fossile Kraftwerke. Vielversprechende Membranwerkstoffe sind mischleitende Perowskite. So zeigt der Mischkristall Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3 (BSCF) unerreichte Sauerstoffpermeationseigenschaften und selbst bei niedrigen Partialdrücken eine hohe chemische Stabilität, so dass eine großtechnische Sauerstofferzeugung realisierbar erscheint. Allerdings muss die Materialstabilität über mehrere Jahre unter anwendungsrelevanten Temperaturen (700...900 °C) und Sauerstoffpartialdrücken (10E-3...1 bar) gewährleistet sein. Die Sauerstoffleitfähigkeit einer polykristallinen BSCF-Membran wird aber vom Auftreten nichtkubischer Sekundärphasen im anwendungsrelevanten Temperatur- und Sauerstoffpartialdruckbereich beeinflusst. Als Grund hierfür wird die Oxidation des B-Platz-Kations Kobalt von +2 auf +2,7 vermutet, diese Valenzänderung führt zu einer Verringerung des Ionenradius und damit zu einer Destabilisierung der kubischen Phase und einer Abnahme der Sauerstoffleitfähigkeit.Eine Möglichkeit, die kubische Phasenstabilität aufrechtzuerhalten, zeigen neuere Ansätze, die eine Reduzierung des Co-Anteils durch Elemente fester Valenz wie Zr oder Y verfolgen: Schon geringe Dotierkonzentrationen reichen aus, um die Phasenstabilität zu erhöhen und gleichzeitig die guten Permeationseigenschaften von BSCF beizubehalten. Daher erscheint die Untersuchung von mit Y oder Zr dotiertem BSCF hinsichtlich Stabilitätsbereich der kubischen Phase in Abhängigkeit von Dotierstoffkonzentration, Temperatur und Sauerstoffpartialdruck erfolgversprechend. Sauerstoff-Membranen für die Kraftwerkstechnik bestehen üblicherweise aus einem porösen Trägermaterial, auf das die mischleitenden Membranschichten mit weniger als 100 Mikrometern Dicke aufgebracht werden. Dadurch wird ein höchstmöglicher Sauerstofffluss erreicht, der eine rein oberflächenkontrollierte Austauschkinetik aufweist. Eine signifikante Steigerung des Flusses wäre nun durch eine geometrische Oberflächenvergrößerung möglich - oder durch eine "katalytisch aktive" Modifikation der chemischen Zusammensetzung der Oberfläche ("Hetero-Interface"). Dieses Konzept wurde von den Antragstellern für mischleitende SOFC-Kathoden aus (La,Sr)CoO3 entwickelt. Der Oberflächendurchtritt konnte durch die rein geometrische Oberflächenvergrößerung um mehr als eine Zehnerpotenz gesteigert werden, durch die Ausbildung eines "Hetero-Interfaces" an der Grenzfläche Mischleiter/Gasatmosphäre zusätzlich um den Faktor 50. Die Auswirkung derartiger (nanoskaliger und/oder katalytisch aktiver) Funktionsschichten auf die Leistungssteigerung einer Membran soll im beantragten Projekt evaluiert und verifiziert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen