Beziehung zwischen Zusammensetzung, Struktur und Leitfähigkeit in keramischen Sauerstoffionenleitern mit Zwischengitter-Mechanismus

• Antragsteller: Professor Dr. Steffen Neitzel-Grieshammer
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 338212203

Festoxidbrennstoffzellen und -elektrolysezellen ermöglichen die direkte Umwandlung von chemischer in elektrische Energie und umgekehrt. Grundvoraussetzung für den effizienten Betrieb dieser Zellen sind keramische Elektrolyte mit einer hohen Sauerstoffionenleitfähigkeit. In klassischen Sauerstoffionenleitern erfolgt der Transport des Sauerstoffs über Fehlstellen, während Sauerstoffionenleiter, in denen der Transport über Zwischengitterplätze erfolgt, erst in der jüngeren Vergangenheit wachsendes Interesse erlangt haben. In diesem Projekt sollen Ionenleiter mit Zwischengitter-Mechanismus mittels computergestützter Methoden untersucht werden. Als vielversprechende Materialklassen werden dabei Apatit- und Melilit-strukturierte Ionenleiter gewählt, für die bereits experimentell hohe ionische Leitfähigkeiten nachgewiesen werden konnten. Trotz der bisherigen Arbeiten wurde für diese beiden Materialklassen nur ein Bruchteil der möglichen Zusammensetzungen untersucht und viele wissenschaftlich relevante Fragen verbleiben ungeklärt. Daher sollen hier diese Materialien systematisch untersucht und die Zusammensetzungen identifiziert werden, welche die höchste Leitfähigkeit versprechen.Das Projekt gliedert sich in drei Stufen. In der ersten Stufe werden die Strukturen mittels Dichtefunktionaltheorierechnungen optimiert und der Einfluss der Zusammensetzung auf die Struktur ermittelt. In der zweiten Stufe werden die Energiebarrieren für die Migration von Zwischengitterionen berechnet. Die Migrationsenergien werden mit Hilfe geeigneter Regressionsverfahren mit den strukturellen Parametern in Beziehung gesetzt. Dies soll dazu dienen, einen allgemeinen Zusammenhang zwischen Struktur und Migrationsbarriere zu bestimmen und ein effizientes Screening für die Identifizierung von Ionenleitern mit niedriger Migrationsenergie und hoher Leitfähigkeit ermöglichen. In der dritten Stufe werden die Leitfähigkeiten von vielversprechenden Materialien simuliert, um die Verbindungen mit den höchsten Leitfähigkeiten zu identifizieren. Im Mittelpunkt des Projektes stehen dabei zwei wesentliche Teilaspekte: i) Ein besseres Verständnis des Einflusses der Struktur auf die Leitfähigkeit. ii) Die Vorhersage der Leitfähigkeit von bisher nicht untersuchten Zusammensetzungen.Ein sukzessiver Screening-Ansatz soll in diesem Zusammenhang helfen, den rechentechnischen Aufwand zu minimieren, da aufwendig zu berechnende Materialeigenschaften, wie etwa die Migrationsenergie einzelner Defekte, bereits durch Analyse der Gleichgewichtsstruktur abgeschätzt werden könnten. Am Ende des Projektes sollen Aussagen über die Leitfähigkeit der Materialien abhängig von der Zusammensetzung und der Struktur gemacht werden und so neue Zusammensetzungen mit hoher Leitfähigkeit vorhergesagt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Japan
• Kooperationspartner: Professor Masanobu Nakayama, Ph.D.