Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung katalytisch aktiver Materialien auf Ceroxid- und Zirkoniumoxid-Basis für die Anwendung in Festoxid-Brennstoffzellen. (KatCe)

Cer- bzw. Zirkoniumoxid und abgeleitete Mischoxide sind heute wichtige Nanomaterialien für Katalysatoren oder als aktiver Support in der heterogenen Katalyse. Mehrphasige, aktive Katalysatormaterialien sind äußerst interessant, da Synergieeffekte an den Phasengrenzen die Aktivität derartiger Materialien stark verbessern können und so z.B. einen Innovationssprung im Bereich der Feststoffoxid-Brennstoffzellen (SOFC) bewirken könnten. Die anwendungsorientierte Synthese dieser funktionellen Materialien setzt eine ausgezeichnete Kontrolle der strukturellen Eigenschaften und somit ein gutes Verständnis der zugrundeliegenden Prozessparameter in der Synthese voraus. Da die Zusammensetzung der Energieträger und die lokalen Anforderungen beim Einsatz von SOFC sehr stark divergieren können, werden bei der Etablierung von Brennstoffzellen in verschiedenen Anwendungsbereichen besonders KMU erfolgreich sein können, weil diese mit ihrer Innovationskraft entsprechend flexibel auf die spezifischen Bedingungen reagieren können, in dem sie hochspezialisierte Materialien für SOFC im kg-Maßstab zur Verfügung stellen können. Die Umsetzung einer Synthesestrategie für mehrphasige, hochspezifische funktionelle Materialien, wie sie auch in KMU umgesetzt werden kann, ist ein Kernanliegen dieses Projektes. Es werden Prozessparameter zur Herstellung von Eu-dotierten (mehrphasigen) Mischoxid-Nanomaterialien erarbeitet, Material produziert und dessen Anwendungspotential im Bereich der SOFC evaluiert.

Das Vorhaben wird so (i) das Verständnis der Bildung hochspezifischer Partikel in Sprayflammen im Technikumsmaßstab verbessern und (ii) ideale Formulierungen für SOFC Anwendungen entwickeln, wodurch für KMU an den strategisch bedeutenden Positionen der Synthese und der Fertigung in der Wertschöpfungskette „Brennstoffzelle“ ein nachhaltiger Wettbewerbsvorteil erwachsen wird.

Ergebniszusammenfassung:

Mehrphasige, aktive Katalysatormaterialien sind besonders interessant, da Synergieeffekte an den Phasengrenzen die Aktivität derartiger Materialien einerseits stark verbessern können. Mit dem Ziel komplementäre Strukturinformationen zu generieren wurde z.B. Eu3+ als Struktursonde genutzt und mittels Lumineszenzspektroskopie sowie weiterer Analytik untersucht. Die Herstellung von dotierten Ceroxid-Nanomaterialien wurde erprobt, und in Hinsicht auf ihre katalytischen Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der SOFC evaluiert. Die morphologische Charakterisierung mittels Elektronenmikroskopie belegt bei allen erzeugten Materialien ca. 10nm große Partikel. Die Bildung vereinzelt großer (~100nm), sphärischer Partikel konnte durch Verwendung von 2-Ethylhexanysäure in der Prekursorlösung vermindert werden, wodurch auch die Erhöhung der spezifischen Oberfläche erzielt wurde. Gadolinium dotiertes Ceroxid wurde mittels RAMAN-Spek. untersucht und eine Veränderung der Ce-O-Frequenzen in Abhängigkeit der Gd3+ Konzentration nachgewiesen. Strukturanalyse wurde mittels FLNS der phasen-reinen Proben weitergeführt. Die Ergebnisse zeigen hoch-kristallines Ceroxid, wobei der Eu-Gehalt in der Synthese nachweisbar angepasst wurde. Die Vermessung aller GDC und Cer-Zirkonium Mischoxid Proben zeigen ebenfalls hoch-kristalline Materialien, welche eine gute Basis für sogenannte Sperrschichten für SOFC Brennstoffzellen sind. Untersuchungen an GDC auf YSZ erlauben die Identifikation von Mischungseffekten an der Grenzfläche bei erhöhten Sintertemperaturen, welche mit der beobachteten Haltbarkeit der Stacks in realen SOFC korrelieren. Temperaturabhängige Messungen an CeO2:Eu weisen auf zwei verschiede Sauerstoff-Typen im Gitter hin, welche bei 450°C und 800 °C mit Wasserstoff umgesetzt werden, wobei CeO2|ZrO2 besonders eine hohe Reaktivität nach Redox Behandlung zeigt. Mehrphasiges CeO2|ZrO2 zeigt eine höhere "Oxygen Storage Capacity" gegenüber typischen Mischoxiden.