Ausgewählte Publikationen
2006-2009

An dieser Stelle stellen wir herausragende Publikationen von Mitgliedern des ZFM vor.

Informieren Sie sich bitte über die Regeln zur Zitation des Zentrum für Festkörperchemie und Neue Materialien in Publikationen und die Benutzung des ZFM Logos auf Postern und in Präsentationen.

Vielseitige Festkörpermembran: Eine Perowskit-Hohlfaser als Katalysator

Vielseitige Festkörpermembran: Eine Perowskit-Hohlfaser katalysiert effektiv die Zersetzung des schädlichen Treibhausgases N₂O und garantiert gleichzeitig die stetige in-situ-Entfernung des Sauerstoffs durch partielle Oxidation von Methan

Jiang et al. (Arbeitskreis Prof. Dr. J. Caro am Institut f. Physikalische Chemie) ist es gelungen, einen Perowskitmembranreaktor für die katalytische Zersetzung von N₂O einzusetzen. N₂O spaltet an der Oberfläche der sauerstoffionenleitenden Membran in die Elemente auf. Werden die Sauerstoffanionen auf der Permeatseite durch die Reaktion mit Methan zu Synthesegas kontinuierlich entfernt, wird für einen schnellen Sauerstofftransport durch die Membran gesorgt, der gleichzeitig die Zurückgewinnung von aktiven Zentren auf der Katalysatorseite garantiert. Mit dieser Kombination kann der N₂O-Umsatz zwischen 850 und 900 °C um das Vierfache auf 100 % gesteigert werden.

Die Ergebnisse sind vor kurzem in dem Top-Journal Angewandte Chemie veröffentlicht worden. Siehe dazu:

Zersetzung von Lachgas in die Elemente mit In-situ-Entfernung des Sauerstoffs durch eine Perowskitmembran H. Jiang, H. Wang, F. Liang, S. Werth, T. Schiestel, J. Caro, Angew. Chem. Int. Ed., 48, 2009.

Ein Review Artikel zur Entstehung der Anden

Isotopenanalysen lassen Rückschlüsse auf die Entstehungsgeschichte von Gebirgen zu.

Mit einer Breite von fast 700 km und einer mittleren Höhe von nahezu 4000 m stellen Zentralanden und Altiplano nicht nur das zweitgrößte Hochgebirge unseres Planeten sondern auch die bedeutendste Barriere für Atmosphärenzirkulation und Feuchtigkeitstransport der südlichen Hemisphäre dar. In ozeannahen Gebirgsregionen skaliert die Wasserstoff- und Sauerstoffisotopie von Niederschlagswässern mit der Niederschlagshöhe. Die Messung dieser Isotope in geologischen Klimaarchiven erlaubt daher eine Rekonstruktion der Gebirgshöhe im Laufe der geologischen Entwicklung eines Gebirges. Zusammen mit Kollegen der University of Rochester und des California Institute of Technology hat A. Mulch vom Institut für Geologie anhand der Messung von Wasserstoffisotopen in Tonmineralen zeigen können, dass vor ca. 6-10 Millionen Jahren Veränderungen in den Niederschlagsmustern des Altiplano stattfanden, welche auf eine rasche Hebung des zentralen Bereichs der Anden hindeuten. Dies hat nicht nur Einfluss auf unser Verständnis der Mechanismen der Gebirgsbildung sondern erlaubt weiterhin Rückschlüsse auf die Klimadynamik der jüngeren Erdgeschichte.

Diese Ergebnisse wurden in Science veröffentlicht. Siehe dazu:

Rise of the Andes C.N. Garzione, G.D. Hoke, J.C. Libarkin, S. Withers, B. MacFadden, J. Eiler, P. Ghosh, A. Mulch, Science, 320, 5881, 1304-1307 (2008).

Nanokristalline metastabile Fluoride mit hoher Ionenleitfähigkeit

Durch Hochenergiekugelmahlen konnte ein ternäres Fluorid mit überraschenden Eigenschaften erzeugt werden.

Nanokristalline Materialien sind aufgrund ihrer besonderen Diffusionseigenschaften von großem material-wissenschaftlichen Interesse. Während die nanokristallinen binären Fluoride BaF₂ und CaF₂ gegenüber ihren grobkörnigen Analoga zwar schon eine erhöhte Fluoridionen-Diffusivität aufweisen, kann durch gemeinsames Hochenergiekugelmahlen von BaF₂ und CaF₂ ein metastabiles ternäres Fluorid erzeugt werden, dessen Ionenleitfähigkeit die von einphasigem BaF₂ um den Faktor 100 übertrifft. Benjamin Ruprecht (Arbeitskreis Prof. Dr. P. Heitjans, Institut für Physikalische Chemie) hat dies in seiner Diplomarbeit gezeigt und damit begonnen, die Mikrostruktur der hochgradig defektreichen (Ba,Ca)F₂-Nanopartikel aufzuklären.

Anion diffusivity in highly conductive nanocrystalline BaF₂:CaF₂ composites prepared by high-energy ball milling B. Ruprecht, M. Wilkening, S. Steuernagel, P. Heitjans, J. Mater. Chem., 18, 5412, 2008.

Perowskitbildung in Sol-Gel-Verfahren erfolgt über nanoskalige Festkörperreaktionen

Im Arbeitskreis von Dr. Armin Feldhoff (Institut für Physikalische Chemie und Elektrochemie) ist es gelungen die Zwischenstadien der Bildung von Perowskiten in technologisch bedeutenden Sol-Gel-Syntheseverfahren im Detail aufzuklären. Die umfangreichen Arbeiten haben Eingang in gleich drei renommierte Zeitschriften gefunden.

Perowskitkeramiken komplexer Stöchiometrie bilden die Grundlage für Membranwerkstoffe zur energieeffizienten Sauerstoffseparation, und sie sind zugleich die derzeit leistungsstärksten Elektrodenmaterialien für die Festoxidbrennstoffzelle (SOFC). Zur Erzielung feinabgestimmter homogener Stöchiometrien ist die Beherrschung des Herstellungsverfahrens wesentlich. Nun konnte erstmals gezeigt werden, dass in Sol-Gel-Verfahren die technisch relevanten (Ba,Sr)(Fe,Zn)O₃- und (Ba,Sr)(Co,Fe)O₃-artigen Perowskite in nanoskaligen Festkörperreaktionen zwischen Carbonat- und Spinell-Intermediaten gebildet werden. Überraschenderweise sind diese Zwischenstufen den Ausgangsstoffen der klassischen Feststoffsynthese ähnlich, jedoch erlaubt die Sol-Gel-Synthese eine weitaus homogenere Durchmischung der Komponenten auf der Nanoskala und liefert damit deutlich überlegene Materialien. Die Arbeiten wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) unter der Projektnummer FE 928 1-1 gefördert. Beteiligt sind neben Dr. Feldhoff auch seine Mitarbeiter Julia Martynczuk, Mirko Arnold sowie Prof. Dr. Haihui Wang, welcher im Frühjahr 2007 einem Ruf an die South China University of Technology (SCUT) in Guangzhou gefolgt ist.

M. Arnold, H. Wang, J. Martynczuk, A. Feldhoff, In-situ X-ray diffraction and transmission electron microscopy study of a synthesis process of the perovskite-type mixed oxide (Ba_0.5Sr_0.5)(Co_0.5Fe_0.5)O_3-δ, Journal of the American Ceramic Society, doi: 10.1111/j.1551-2916.2007.01932.x.

J. Martynczuk, M. Arnold, H. Wang, J. Caro, A. Feldhoff, How (Ba_0.5Sr_0.5)(Fe_0.8Zn_0.2)O_3-δ and (Ba_0.5Sr_0.5)(Co_0.8Fe_0.2)O_3-δ perovskites form via an EDTA/citric acid complexing method, Advanced Materials, 19, 2134-2140 (2007).

A. Feldhoff, J. Martynczuk, H. Wang, Advanced Ba_0.5Sr_0.5Zn_0.2Fe_0.8O_3-δ perovskite-type ceramics as oxygen selective membranes: Progress in Solid State Chemistry, 35, 339-353 (2007).

In-situ Messung der natürlichen Metallisotopenfraktionierung mit Femtosekunden-Laserablation

Im Arbeitskreis von Prof. Dr. Friedhelm v. Blanckenburg (Institut für Mineralogie) ist eine neue Technik der ICP-Massen-spektrometrie entwickelt worden, die es erstmals erlaubt, Isotopenverschiebungen hochpräzise und in-situ an natürlichen und synthetischen Festkörpern zu messen.

Die neue Technik nutzt ein Femtosekunden-Lasersystem und kann bei Hauptelementen geringste Isotopenverschiebungen aufspüren, die dann entstehen, wenn sich Elemente zwischen verschiedenen Kompartimenten aufteilen und dabei auch noch physikochemischen Reaktionen unterliegen. Die genaue Bestimmung der Isotopen-fraktionierung der „schweren“ Elemente (Mg, Si, Ca, Cr, Fe, Cu, Zn, Ni, Mo) mit einer Präzision besser als 0.1 Promille spielt in der Geochemie neuerdings eine immer größere Rolle. An der Entwicklung der Methode, die weltweit die erste ihrer Art ist, sind neben Prof. v. Blanckenburg seine Mitarbeiter Dr. Ingo Horn und Dr. Ronny Schönberg wesentlich beteiligt. Eine detaillierte Beschreibung der neuen Technik ist vor kurzem in Geochimica et Cosmochimica Acta erschienen.

I. Horn, F. von Blanckenburg, R. Schoenberg, G. Steinhoefel, G. Markl, In situ iron isotope ratio determination using UV-femtosecond laser ablation with application to hydrothermal ore formation processes, Geochimica Cosmochimica Acta, 70, 3677 (2006).

Präzise Erfassung von ultralangsamen Li-Ionenbewegungen in Festkörpern

Am Institut für Physikalische Chemie und Elektrochemie ist es Dr. Martin Wilkening und Prof. Dr. Paul Heitjans mit Hilfe eines bestimmten Kernresonanzverfahrens gelungen, extrem langsame Bewegungen von Lithium-Ionen in verschiedenen festen Ionenleitern zu messen. Teile der Ergebnisse sind erst kürzlich in dem renommierten Physikjournal Physical Review Letters erschienen.

Mit der sogenannten ⁷Li-Spin-Alignment Echo Technik war es Wilkening und Heitjans u. a. möglich, in der schichtstrukturierten Interkalationsverbindung Li_0.7TiS₂ Li-Sprungraten mit Werten bis hinab in den sub-Hz Bereich bei sehr tiefen Temperaturen direkt zu messen. Unter Zuhilfenahme von bereits etablierten anderen Techniken der Kernresonanzspektroskopie gelang es ihnen insgesamt, den Diffusionsprozess in Li_0.7TiS₂ auch bei höheren Temperaturen und in einen enorm großen Zeitbereich von zehn Größenordnungen präzise zu erfassen. Die genaue Kenntnis der Transporteigenschaften von festen Li-Ionenleitern, wie z. B. Li_xTiS₂, hat sowohl große Bedeutung in der physikalisch-chemischen Grundlagenforschung als auch in der anwendungsorientierten Materialforschung aufgrund des Einsatzes von Li-Ionenleitern als Elektrodenmaterialien in wiederaufladbaren Ionenbatterien.

M. Wilkening, W. Küchler, P. Heitjans, From Ultra-slow to Fast Lithium Diffusion in the 2D Ion Conductor LixTiS2 – Probed Directly by Stimulated-Echo NMR and Nuclear Magnetic Relaxation, Phys. Rev. Lett., 97, 065901 (2006).