Transportprozesse in Oxiden mit definierter Grenz- und Oberflächenstruktur
Gemischtleitende und Sauerstoffionen-leitende Oxide, wie z.B. Cerdioxid (CeO2) und Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumoxid (YSZ), sind im Bereich der Katalyse, der Sauerstoffspeicherung, als Elektrodenmaterialien in Batterieanwendungen oder als Festelektrolyt in Sauerstoffbrennstoffzellen von großem Interesse. Die elektrochemischen Eigenschaften der Oxide können hierbei nicht nur durch Dotierung, sondern auch durch Nanostrukturierung stark variiert werden. In der Arbeitsgruppe wird daher der Einfluss von Grenz- und Oberflächen auf die elektrochemischen Eigenschaften an porösen Dünnschichten und mesoporösen Filmen untersucht. So beeinflusst die poröse Architektur und Oberflächenbeschaffenheit der Filme nicht nur die Leitfähigkeit der Elektronen und Sauerstoffionen im Material, sondern auch die Protonenleitfähigkeit sowie die Lithiumspeicherfähigkeit an der Oberfläche.
Die porösen Dünnschichten werden mit gepulster Laserdeposition abgeschieden, während die mesoporösen Filme in Kooperation mit Dr. Torsten Brezesinski (Karlsruher Institut für Technologie) und Prof. Bernd Smarsly (Physikalische Chemie, JLU) hergestellt und charakterisiert werden. Insbesondere mesoporöse Systeme eignen sich aufgrund ihres hohen Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnisses und ihrer definierten Porenanordnung als Modellsysteme, um den Einfluss der Nanostruktur zu ermitteln. Die Eigenschaften der Oberfläche werden zusätzlich durch Beschichtung mittels Atomlagenabscheidung im Nanometerbereich variiert, um die Eigenschaften der Strukturen gezielt zu variieren. Die Charakterisierung der elektrochemischen Eigenschaften erfolgt hauptsächlich mittels elektrochemischer Impedanzspektroksopie. Die frequenzabhängige Messung des Wechselstromwiderstandes ermöglicht es hierbei, die verschiedenen Transportprozesse in den Materialien aufzuklären.
Publikationen:
- E. Celik, Y. Ma, T. Brezesinski*, M.T. Elm*, “Ordered mesoporous metal oxides for electrochemical applications: correlation between structure, electrical properties and device performance“ Phys. Chem. Chem. Phys. 23, 10706 (2021) – Invited Perspective
- J. Zahnow, T. Bernges, A.C. Wagner, N. Bohn, J.R. Binder, W.G. Zeier, M.T. Elm*, J. Janek*, “Impedance Analysis of NCM Cathode Materials: Electronic and Ionic Partial Conductivities and the Influence of Microstructure” ACS Appl. Energy Mater. 4, 1335 (2021)
- K. Michel, T.S. Bjørheim, T. Norby, J. Janek, M.T. Elm*, “Importance of the Spin–Orbit Interaction for a Consistent Theoretical Description of Small Polarons in Pr-Doped CeO2“, J. Phys. Chem. C 124, 15831 (2020)
- E. Celik, R.S. Negi, M. Bastianello, D. Boll, A. Maziklin, T. Brezesinski, M.T. Elm*, “Tailoring the protonic conductivity of porous yttria-stabilized zirconia thin films by surface modification”, Phys. Chem. Chem. Phys. 22, 11519 (2020)
- J. Yue, C. Suchomski, P. Voepel, R. Ellinghaus, M. Rohnke, T. Leichtweiss, M.T. Elm, B.M. Smarsly*, “Mesoporous niobium-doped titanium dioxide films from the assembly of crystalline nanoparticles: study on the relationship between band structure, conductivity and charge storage mechanism”, J. Mater. Chem. A 5, 1978 (2017)