Lead
Festoxidbrennstoffzellen (solid oxide fuel cells, “SOFCs”) sind hocheffiziente elektrochemische Energieumwandler mit einer potentiell bedeutsamen Rolle für die Entwicklung umweltfreundlicher Eneriequellen. Der Einsatz von alternativen Materialien im Design und in der Fabrikation von SOFCs könnte helfen die momentanen technologischen Beschränkungen zu umgehen, wodurch die schnelle und weitverbreitete Entwicklung dieser Technologie gefördert würde.

Lay summary

Hintergrund

Aktuelle SOFC Technologien verwenden Sauerstoffionenleiter als Elektrolyten. Diese Materialien erfordern typischerweise Betriebstemperaturen weit über 800°C. Tiefere Betriebstemperaturen könnten enorme Vorteile bringen. Allerdings nimmt die Ionenleitfähigkeit von Standartelektrolyten mit sinkender Temperatur rapide ab. Protonenleitende Oxide sind alternative Elektrolytmaterialien welche den SOFC Betrieb bei tiefen Temperaturen erlauben würden, da eine tiefere thermische Energie für eine effiziente Ionenleitung erforderlich ist. Der Mechanismus der Protonenleitung in Oxiden ist allerdings noch nicht komplett verstanden, da es einen grossen Unterschied für die Werte der Aktivierungsenergie aus Theorie und Experiment gibt.

Ziel

Das Ziel dieses theoretischen und experimentellen Forschungsprojektes ist die Fabrikation und Charakterisierung von Modellproben. Diese werden durch Dünnschichttechnologien hergestellt und erlauben die Untersuchung des Effektes von Gitterverzerrungen (Dehnung) auf die Protonenleitfähigkeit. Streckende oder komprimierende  Gitterverzerrungen könnten zu unterschiedlichen Werten für die Migrationsenergie führen durch veränderte interatomare abstände, insbesondere den durchschnittlichen Abstand zwischen Protonen und Dotieratomen.

Bedeutung

Verdehnte Dünnfilme könnten “Superprotonenleitfähigkeit” besitzen dank der durch die Verdehnung gesenkten thermischen Energien für den Ladungstransport. Indem das Dotierungselement und die Verdehnung variiert werden, werden theoretische Simulationen und die Charakterisierung der Mikrostruktur es erlauben die lokale Mikrostrukturumgebung zu identifizieren die schnelle Protonenleitung bei tiefen Temperaturen erlaubt. Die Stabilisation metastabiler protonenleitender Phasen durch Gitterverzerrungen könnten in der Tat eine vielversprechende Forschungsrichtung sein: Die Entwicklung neuer Materialien für einen hoch effizienten Betrieb von SOFCs bei tiefen Temperaturen wird durch protonenleitende Oxide ermöglicht.