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Description
Der Klimawandel ist eine der größten Bedrohungen für unsere Gesellschaft, und es ist von größter Bedeutung, ihn durch eine Umstellung des Energiesektors auf umweltfreundliche Technologien zu minimieren. Es gibt verschiedene Ansätze, die miteinander kombiniert, dazu beitragen können die Klimaziele zu erreichen. So kann zum Beispiel Solarenergie genutzt werden, um in Solarzellen Strom zu erzeugen oder Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zu spalten. Wasserstoff kann dann als Treibstoff für Brennstoffzellen dienen, welche im Verkehrssektor oder im stationären Sektor eingesetzt werden können um Strom zu erzeugen. Thermoelektrische Materialien können ebenfalls dazu beitragen den Energiesektor in einen umweltfreundlichen zu verwandeln, da sie in der Lage sind Abwärme in Elektrizität umzuwandeln.
Bei diesen verschiedenen Technologien im Energiesektor spielen die Defekte der eingesetzten Materialien eine zentrale Rolle, da sie die Effizienz und Lebensdauer der verschiedenen Zellen und Bauelemente entscheidend bestimmen. Um die Effizienz zu steigern und die Lebensdauer zu erhöhen, ist es von großer Bedeutung, die Defekte auf verschiedenen Längenskalen zu charakterisieren - angefangen von der Millimeter-/Mikrometer-Ebene bis hin zur atomaren Skala. Die Defektdichte muss statistisch relevant ermittelt werden, während gleichzeitig die atomare Anordnung und die chemische Zusammensetzung an den Defekten mit hoher räumlicher Auflösung bestimmt werden müssen.
Um diese Aufgabe zu erfüllen, haben wir eine skalenübergreifende Methodik angewandt und weiterentwickelt. Mit einem kombinierten Ansatz aus verschiedenen bildgebenden und spektroskopischen Verfahren werden Defekte von der Millimeter-/Mikrometer-Ebene bis hinunter zur atomaren Skala charakterisiert. Zur Bestimmung der Defektverteilung und -dichte wird das Electron Channeling Contrast Imaging (ECCI) oder Electron Beam Induced Current (EBIC) Verfahren in Verbindung mit Experimenten zur Elektronenrückstreuung (EBSD) in einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) eingesetzt. (Raster-)Transmissionselektronen¬mikroskopie (STEM), energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) und Elektronen-Energieverlustspektroskopie (EELS) im STEM-Modus werden häufig mit Atomsondentomographie (APT) kombiniert, um die atomare Struktur und Zusammensetzung der Defekte zu entschlüsseln. Die erfolgreiche Präparation der zum Teil ortsspezifischen Proben mittels Rasterionenmikroskopie (FIB) nimmt dabei einen wichtige Schlüsselrolle ein.
Im Vortrag werden verschiedene Beispiele im Bereich von Solarzellen [1], Photokatalysatoren [2], Brennstoffzellen [3] und thermoelektrischen Werkstoffen [4] vorgestellt und diskutiert. Durch die eingesetzte skalenübergreifende Methodik ist es uns gelungen, die gemessenen Eigenschaften der verschiedenen Systeme zu erklären. So segregieren Kohlenstoffverunreinigungen in Silizium Solarzellen linienförmig an facettierten Korngrenzen und wirken als Rekombinationszentren, wodurch die Effizienz der Solarzellen verringert wird [1]. Die photokatalytischen Eigenschaften von nanostrukturiertem Titandioxid wird durch den Einbau von Bor und Stickstoffverunreinigungen, die auf die Synthese zurückzuführen sind, verbessert [2]. Dies ist auf eine Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit zurückzuführen, welche durch die veränderte atomare Anordnung an der Oberfläche (bedingt durch die Verunreinigungen) verursacht wird [2]. Im Fall von polymerbasierten Brennstoffzellen konnten wir Degradationsmechanismen skalenübergreifend aufklären und zeigen, dass die beobachteten Veränderungen in den Elektroden und der Membran durch die Auflösung der nanometergroßen Rhodium Kern/Platin Schale Katalysatoren bedingt wird [3]. Katalysatoren mit einer dickeren Schale besitzen zwar eine geringere Leistung als solche mit dünnerer Schale, aber dafür eine höhere Stabilität, was sich positiv auf die Lebensdauer auswirkt. In einem weiteren Beispiel beschäftigten wir uns mit thermoelektrischen Materialien, deren Eigenschaften ebenfalls von der Art und Anzahl der vorhandenen Defekte bestimmt werden. So können Korngrenzen die Wärmeleitfähigkeit erniedrigen, da Phononen gestreut werden, was ein erwünschter Effekt ist. Allerdings wird durch das Vorhandensein von Korngrenzen oft die Leitfähigkeit erniedrigt, was unerwünscht ist. Durch das Einbringen eines leifähigen Pfades an der Korngrenze lässt sich dies vermeiden [4]. Mit Hilfe unseres Ansatzes konnten wir gezielt Korngrenzen auswählen, Proben für TEM und APT präparieren und im Detail analysieren. So konnten wir erfolgreich das Vorhandensein einer leitfähigen Korngrenzphase („Complexion“) mit einer geänderten atomaren Anordnung und chemischen Zusammensetzung nachweisen.
[1] C. Liebscher, A. Stoffers, M. Alam, L. Lymperakis, O. Cojocaru-Miredin, B. Gault, J. Neugebauer, G. Dehm, C. Scheu, D. Raabe: Phys. Rev. Materials 2018, 2, 023804.
[2] J. Lim, S.-H. Kim, R. Aymerich Armengol, O. Kasian, P.-P. Choi, L. T. Stephenson, B. Gault, C. Scheu: Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 5651.
[3] A. Garzón Manjón, M. Vega-Paredes, V. Berova, T. Gänsler, T. Schwarz, N. A. Rivas Rivas, K. Hengge, T. Jurzinsky, C. Scheu: Nanoscale, 2022, 14, 18060.
[4] R. Bueno Villoro, M. Wood, T. Luo, H. Bishara, L. Abdellaoui, D. Zavanelli, B. Gault, G. J. Snyder, C. Scheu, S. Zhang, Acta Materialia 2023, https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118816.
[5] Die Autorin dankt allen Kolleginnen und Kollegen die an den verschiedenen Arbeiten mitgewirkt haben.