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Verbesserung der Eigenschaften von oxidischen Elektrolytmaterialien

Hinterberg, Judith Maria - Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (2013)


Die vorgelegte Arbeit befasst sich mit Möglichkeiten die Eigenschaften zweier etablierter oxidischer Elektrolytmaterialien mit Fluoritstruktur zu verbessern. Im ersten Teil werden Hinweise auf Protonenleitung in nanokristallinen, kubischen Yttriumstabilisierten Zirkonoxid (YSZ) experimentell untersucht. Mit thermogravimetrischen Methoden (TG) und Kernmagnetresonanzspektroskopie (NMR) werden der Einbau von Protonen und deren Mobilität in den YSZ-Keramiken mit hoher Dichte analysiert. Statt auf einem Korngrenzeffekt beruht die vermutete Protonenleitung auf Wasser, das in Mikrorissen und Nanoporen im Probeninneren inkorporiert wird. Im zweiten Teil der Arbeit werden die Auswirkungen von verschiedenen iso- wie aniostropen Verzerrungen auf die ionische Leitfähigkeit in Ceroxid simuliert. Die strukturellen, elastischen und elektronischen Eigenschaften der verzerrten Strukturen und die Aktivierungsenergie für die Sauerstoffmigration werden berechnet. Eine Erklärung für die Veränderung der Migrationsbarriere wird präsentiert. Ein besonderes Augenmerk wird zusätzlich auf die Berechnung des Migrationsvolumens gelegt. Das Modell eines universellen Migrationsvolumentensors, mit dem sich die Migrationsvolumina für alle Arten von Verzerrungen berechnen lassen, wird entwickelt. Mit den Migrationsenergien und den Migrationsvolumina werden schließlich die Migrationsenthalpien bestimmt, die die Grundlage für Kinetic Monte Carlo Simulationen (KMC) bilden. Mit den KMC-Simulationen wird die ionische Leitfähigkeit von verzerrtem Ceroxid als Funktion der Verzerrung und Temperatur bestimmt.


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