Topochemische Fluorierung im Anwendungsfeld interkalationsbasierter Fluorid-Ionen-Batterien, maßgeschneiderter Eigenschaften sowie der Modifizierung dünner Filme

• Antragsteller: Professor Dr. Oliver Clemens
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 285249272

Das Projekt befasst sich mit der Untersuchung topochemischer Fluorierungsreaktionen an oxidischen Materialien der Perowskit- und dazu verwandten Strukturen (AxByOz, A = Akali- bzw. Erdalkali-, B = Übergangsmetall), welche für Fluoridionenbatterien, im Bereich einstellbarer Materialeigenschaften sowie für Dünnfilm-Anwendungen von Interesse sind. Entsprechend gliedert sich das Projekt in drei Teile. Teil (a) befasst sich mit der Untersuchung neuartiger elektrochemischer Fluorierungsreaktionen. Hierbei sollen für diesen Reaktionstyp zugängliche Verbindungen identifiziert und charakterisiert werden (z. B. SrFeO2 --> SrFeO2F oder LaSrMnO4 --> LaSrMnO4F2-d). Zum Fluorierungsnachweis sollen neben XRD weitere Methoden wie Mössbauer- und Röntgenabsorptionsspektroskopie untersucht werden. Im Vergleich zu oxidativen Fluorierungen (XeF2, F2) bieten elektrochemische Methoden das Potenzial zur gezielten Einstellung von Fluoridgehalt und Übergangsmetalloxidationsstufe, welche für die Materialeigenschaft (z. B. Magnetismus, (Supra)Leitfähigkeit) von grundlegender Bedeutung ist. Interessant ist hier die Identifizierung reversibler Systeme, für welche sowohl Ein- und Wiederauslagerung von Fluorid erfolgen kann, da diese das Bauen interkalationsbasierter Fluoridionen-Batterien ermöglichen. Projektteil (b) befasst sich in Anlehnung an Teil (a) mit der Entwicklung chemischer Methoden zur topochemischen Fluoridionenauslagerung, wobei die Untersuchung diverser reduktiver Reagenzien (z. B. Metallorganika, Alkalimetalle) an fluorierten Verbindungen und der Einfluss auf die Materialeigenschaften erforscht werden soll. Zudem sollen auch weitere Systeme und Verbindungen im Bereich der chemischen Fluorierung untersucht werden, darunter z. B. Bi1-xAxFeO3-y und La1-xSrxMnO3, für welche eine starke Änderung der Materialeigenschaften zu erwarten ist (z. B. Magnetismus, Leitfähigkeit und Ferroelektrizität). Sollten diese Systeme sich zudem als reversibel fluorierbar / defluorierbar erweisen, so soll eine Erweiterung auf reversibel elektrochemisch einstellbare Eigenschaften erfolgen. Die Untersuchung ferroelektrischer Phänomene bedarf für Oxyfluoride, welche aufgrund ihrer thermodynamischen Instabilität nicht gesintert werden können, der Darstellung als dichte dünne Filme. Projekt (c) setzt sich daher mit der Darstellung von Perowskit-Filmen über Pulsed Laser Deposition auseinander, welche anschließend fluoriert werden sollen. Hierbei gilt es zudem das Zusammenspiel von durch Substrat induzierter Spannung bei Epitaxie mit Spannung durch nachträgliches Fluorieren auf Struktur und Eigenschaften zu untersuchen. Zudem werden in Projekt (c) die Fluorierung von porösen oxidischen Filmen und der Einfluss von Fluorierung auf für Festelektrolytbrennstoffzellen interessante Eigenschaften (Stabilität, Leitfähigkeit, Polarisationswiderstände) erforscht. In allen Teilprojekten sollen zudem DFT-Rechnungen für eine theoretische Validierung der experimentellen Ergebnisse sorgen.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen