Untersuchungen zur Stabilität von gemischtleitenden Funktionsmaterialien für Membrananwendungen in der Energietechnik
Funktionsmaterialien für Technologien im Energie- und Kraftwerksbereich, wie z.B. Brennstoffzellen oder keramische Membranen für die Abtrennung von Sauerstoff aus Luft, sind im Betrieb einem chemischen Gradienten unterworfen, der als treibende Kraft für den Transport einer Komponente aus der Gasphase (z.B. Sauerstoff oder Wasserstoff) dient. So wird bei Gasseparationsmembranen das Membranmaterial auf der Retentat- und Permeatseite jeweils strömenden Gasen zum An- und Abtransport der zu trennenden Gaskomponente ausgesetzt. Unabdingbare Voraussetzung für den langfristigen Einsatz dieser Technologien ist die chemische Stabilität der Materialien unter Prozessbedingungen. Insbesondere bei Hochtemperaturanwendungen wie der oxidkeramischen Brennstoffzelle (SOFC) und der dichten keramischen Sauerstofftrennmembran, stellt die Korrosion der eingesetzten oxidkeramischen Materialien ein großes Problem dar. Dabei sind verschiedene Mechanismen denkbar:
1) Materialveränderungen durch chemische Reaktion mit korrosiven Bestandteilen der Prozessgase, wie z.B. Kohlendioxid.
2) Abdampfung von Metallkomponenten aus dem Oxid in den Gasstrom.
3) Lokale Veränderungen der Materialzusammensetzung durch gerichtete, diffusive Wanderung der Metallkomponenten im Metalloxid im chemischen Gradienten.
Im Rahmen des vorliegenden Projektes werden die unter 2) und 3) genannten, nichtkorrosiven Prozesse an dem Sauerstoffionen- und Elektronenleitenden Metalloxid La2NiO4 untersucht. La2NiO4 ist als CO2-stabiles Metalloxid potentiell für Membrananwendungen in Carbon Capture and Storage (CCS)-Technologien für Kraftwerksprozesse interessant. Allerdings zeigt das Oxid bei hoher Temperatur bereits in Kontakt mit Luft eine langsame Veränderung der Oberflächenzusammensetzung. Diese wird durch die Bildung von nickelreichen Phasen hervorgerufen und ist vermutlich Ursache für die beobachtete, langsame Abnahme des Sauerstoffpermeationsflusses von La2NiO4-Membranen. Der Bildungsmechanismus dieser Phasen ist noch weitgehend unverstanden, muss jedoch auf der Wanderung der Metallkomponenten beziehungsweise auf der Abdampfung einer dieser Komponenten beruhen. Um eine belastbare Voraussage über die Degradationsrate zu erhalten, werden die Diffusionskoeffizienten der Metallionen in La2NiO4 mittels einer Tracermethode bestimmt, bei der radioaktive und nichtradioaktive Spurstoffe eingesetzt werden. Darüber hinaus wird die Änderung der Oberflächenmorphologie sowie die Bildung von Zweitphasen an Einkristallen dieses Materials untersucht. Die Abdampfung der Metallkomponenten wird durch Dampfdruckmessungen mittels Knudseneffusions-Massenspektrometrie bestimmt.
T. Markus1, M. Schroeder2
1Institut für Energieforschung (IEF2), Forschungszentrum Jülich GmbH
2Institut für Physikalische Chemie, RWTH Aachen
Kontakt: schroeder@rwth-aachen.de
