Protonenleitfähigkeit bei Raumtemperatur in hydratisierten Pyrochlor-Materialien

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Roger De Souza, Ph.D.; Dr. Kerstin Neuhaus
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 523164409

Die Forschung zu protonenleitenden Oxidkeramiken konzentriert sich derzeit stark auf Materialien mit Perowskit-Struktur, die als Elektrolyt in Brennstoffzellen bei Temperaturen oberhalb von 400 °C eingesetzt werden können. Hochleistungsfähige, protonenleitende keramische Materialien für andere elektrochemische Anwendungen (z. B. als elektrochemisch-mechanischer Aktuator, der bei Raumtemperatur oder knapp darüber arbeitet) sind derzeit nicht verfügbar. Das Hauptziel dieses Projekts ist die Identifizierung und Optimierung eines leistungsstarken, protonenleitenden Materials für den Einsatz unterhalb von 250 °C. Wir werden uns auf Materialien mit einer ungeordneten Pyrochlorstruktur konzentrieren, die die allgemeine Zusammensetzung A2B2O7 aufweisen, wobei A = Sc, Y oder ein Lanthanid und B = Zr, Ce oder Hf ist. Im Gegensatz zu den Protonenleitern mit Perowskit-Struktur wurde ungeordneten Pyrochloren trotz ihrer hohen chemischen Stabilität gegenüber CO2 relativ wenig Aufmerksamkeit geschenkt. Durch eine sinnvolle Kombination von atomistischen Modellierungstechniken und makroskopischen sowie mikroskopischen experimentellen Studien werden wir: a) ein umfassendes Modell der Protonenleitfähigkeit in diesen Materialien ableiten und es zur Vorhersage der gewünschten Eigenschaften verwenden; b) Protokolle zur Herstellung und Hydratisierung von Keramiken und dünnen Filmen entsprechender Materialien entwickeln; c) die Art ihrer Leitfähigkeit und ihr elektrochemisches Stabilitätsfenster messen und verstehen; d) vielversprechende Zusammensetzungen einschließlich möglicher Dotierungen zur Erzielung einer maximalen Protonenleitfähigkeit identifizieren. Auf einer höheren Ebene wird das Projekt die grundlegenden Kenntnisse auf dem Gebiet der Protonenleiter und auch der Übergänge zwischen Ordnung und Unordnung in Pyrochlor-verwandten Strukturen vertiefen. Zusätzlich zu den traditionellen Anwendungen von Protonenleitern wird dieses Projekt einen Beitrag zum neu entstehenden Bereich der Festkörperchemotronik leisten, der von MEMS über anpassungsfähige Oberflächen bis hin zu Si-integrierten Protonenbatterien reicht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Israel
• ausländischer Mitantragsteller: Professor Dr. Igor Lubomirsky