Ionische Transporteigenschaften von nanokristallinen Hochentropie-Oxiden

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Horst Hahn, seit 2/2022
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 424789449

Das primäre Ziel des Forschungsvorhabens ist die Untersuchung des ionischen Transports in den Untergittern in zwei Kategorien einer neuen Materialklasse, Hochentropie-Oxiden (HEO). In Übergangsmetall-basierten, R-HEO, mit einer einphasigen Kochsalzstruktur wird der Li+-Ionentransport im Kationen-Untergitter untersucht, während in Seltenenerd-basierten HEO, F-HEO, mit einer einphasigen Fluoritstruktur der Sauerstoff-Ionentransport gemessen wird. Es wird erwartet, dass die Zusammenarbeit zum Kationen- und Anionen-Transport in den beiden ausgewählten Materialsystemen R-HEO und F-HEO wertvolle Beiträge zum Verständnis der Struktur und der funktionellen Eigenschaften machen wird, und das volle Potential dieser neuen Materialklasse aufgedeckt wird. Die am indischen Partnerinstitut IIT Madras mit verschiedenen Methoden hergestellten Pulver und Keramiken werden am Institut für Nanotechnologie (INT) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) mit XRD, SEM, TEM und EXAFS strukturell charakterisiert. Im Anschluss werden die elektrochemischen Eigenschaften mit Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) untersucht, im Falle des Li+-Ionentransport in einem Temperaturbereich um Raumtemperatur, im Falle des O2—Ionentransports bei erhöhten Temperaturen. Aufbauend auf den grundlegenden Untersuchungen zum Ionentransport sollen Li-Ionen Halb- und Voll-Batteriezellen und Festoxidbrennstoffzellen (SOFC) mit HEO-Materialien aufgebaut und charakterisiert werden. NMR wird als weitere Methode zur Messung der Li-Ionendiffusion herangezogen und Raman-Spektroskopie als unterstützende Methode für Defektchemie-Untersuchungen. Das Arbeitsprogramm baut auf einer 20-jährigen Zusammenarbeit zu nanokristallinen Keramiken zwischen dem indischen und deutschen Partner und auf den zukunftsweisenden Ergebnissen in dem neuen Gebiet der HEO der vergangenen drei Jahre auf. Die Stärken der beiden Gruppen sind sehr gut vereinigt in diesem gemeinsamen Projekt. Am IIT Madras liegt der Schwerpunkt der Arbeiten des indischen Partners bei der Synthese, der Verarbeitung und der strukturellen Charakterisierung, während die deutsche Arbeitsgruppe am INT komplementäre Arbeiten zur Charakterisierung der Mikro- und Nanostruktur und zur Untersuchung der funktionellen Eigenschaften mit hohem Potential für Anwendungen durchführt.Die vorläufigen Arbeiten – fast ausschließlich durch freie finanzielle Mittel am IIT Madras und am INT unterstützt – haben bereits zu einem grundlegenden Verständnis von HEO geführt, das im Laufe des Projektes weiter ausgearbeitet werden soll. Die Synergie zwischen den beiden Gruppen ist klar nachgewiesen und kann durch sehr gute Publikationen in den vergangenen Jahren belegt werden, u.a. in Nature Communications. Somit adressiert der Antrag direkt die Themen der DST-DFG-Ausschreibung für deutsch-indische Kooperationsprojekte und gibt klare Evidenz für innovative wissenschaftliche Themen und etablierte, erfolgreiche Zusammenarbeit.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Indien
• Partnerorganisation: Department of Science and Technology (DST)
• Kooperationspartner: Professor Dr. Subbu Bhattacharya, Ph.D.
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Leonardo Velasco Estrada, Ph.D., bis 1/2022