Untersuchung der Sauerstoff- und Calcium-Tracerdiffusion in Mayenit

Teusner, Markus; Martin, Manfred; De Souza, Roger

doi:urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-037061

Untersuchung der Sauerstoff- und Calcium-Tracerdiffusion in Mayenit = Investigation of the oxygen- and calcium-tracer-diffusion in mayenite

Teusner, Markus

2015

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Markus Teusner

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2015

Umfang107 S. : Ill., graph Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Martin, Manfred (Thesis advisor)^RWTH* ; De Souza, Roger (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-07-03

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-037061
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/480511/files/480511.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/480511/files/480511.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Mayenite (frei) ; Diffusion (frei) ; Oxygen (frei) ; Cation (frei) ; ToF SIMS (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Mayenit ist eine Calcium-Aluminium-Verbindung (Ca12Al14O33) und besitzt eine ungewöhnliche Käfigstruktur. Die Calcium- und Aluminiumionen bilden mit 32 der 33 Sauerstoffionen eine positiv geladenes Gitterstruktur (Ca12Al14O32)2+, welche sechs Käfige bildet. 1/6 dieser Käfige sind statistisch mit dem verbliebenen Sauerstoffion besetzt, welches als freies Sauerstoffion bezeichnet wird. Dieses freie Sauerstoffion besitzt eine hohe Mobilität und bewirkt bei Temperaturen über 573 K eine Sauerstoffionenleitfähigkeit, die in der selben Größenordnung wie die von YSZ liegt. In dieser Arbeit wird die Sauerstoff- und Calciumdiffusion in einkristallinen Mayenit durch 18O/16O und 42Ca/40Ca Isotopenaustauschexperimente und anschließender Analyse der Tracerdiffusionsprofile mit ToF Sekundärionen-Massenspektrometrie untersucht. Die Sauerstofftracerdiffusionskoeffizienten D*(O) und Sauerstoffoberflächenaustauschkoeffizienten k*(O) wurden als Funktion der Temperatur, 773 < T/K < 1273, bei einer Sauerstoffaktivität von a(O2) = 0.1 und als Funktion der Sauerstoffaktivität, 0.01 < a(O2) < 0.9, bei einer Temperatur T = 1123 K bestimmt. Die Messungen zeigen zwei unabhängige Diffusionsprozesse. Einen schnellen Diffusionsprozess, welcher der Interstitialcy Diffusion der freien Sauerstoffionen zugeordnet werden kann und einen langsamen Prozess, welcher der Interstitialcy Diffusion der Superoxidionen zugeordnet werden kann. Die Calciumtracerdiffusionskoeffizienten D*(Ca) wurden als Funktion der Temperatur, 773 < T/K < 1273, bei einer Sauerstoffaktivität von a(O2) = 0.210 in reinem, trockenen Sauerstoff und in natürlicher Luft bestimmt. Die Diffusionskoeffizienten liegen um einige Größenordnungen unter denen des Sauerstoffs, sind aber erstaunlich hoch wenn man beachtet, dass Calcium ein Teil des Gittergerüsts ist. Zudem sind die Calciumdiffusionskoeffizienten für den Austausch in natürlicher Luft mehr als zwei Größenordnungen kleiner als die Werte in reinem, trockenen Sauerstoff. Dieser große Unterschied kann durch die unterschiedlich stark ausgeprägte Verzerrung der Käfigstruktur erklärt werden, die durch die Besetzung der Käfige mit OH- bzw. O2- hervorgerufen wird.

Mayenite is a calcium aluminate compound (Ca12Al14O33) with an unusual cage-like structure. The calcium and aluminium ions form, with 32 of the 33 oxygen ions, a positively charged framework structure (Ca12Al14O32)2+ consisting of six cages. 1/6 of these cages are randomly occupied with the remaining oxygen ion, which is known as free oxygen ion or as extra framework ion. This free oxygen ion possesses a high mobility, which effects at T > 573 K an oxide-ion conductivity, similar in magnitude to YSZ.In this thesis the oxygen and calcium diffusion in single crystal Mayenite was investigated by 18O/16O and 42Ca/40Ca isotope exchange experiments, and analysed the tracer diffusion profiles by means of Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (ToF-SIMS).The oxygen tracer diffusion coefficients D*(O) and oxygen surface exchange coefficients k*(O) were determined as a function of temperature, 773 < T/K < 1273, at an oxygen activity a(O2) = 0.1, and as a function of oxygen activity, 0.01 < a(O2) < 0.9, at a temperature T = 1123 K. The measurements reveal two independent diffusion processes. A fast diffusion process that is attributed to the interstitialcy diffusion of free oxygen ions and a slow diffusion process that is attributed to the interstitialcy diffusion of superoxide ions. The calcium tracer diffusion coefficients D*(Ca) were determined as a function of temperature, 773 < T/K < 1273 at a(O2) = 0.210 in dry oxygen atmosphere and in air. The diffusion coefficients are several orders of magnitude lower than those of oxygen but surprisingly high, given that calcium constitutes part of the cage framework. Furthermore the diffusion coefficients in air are surprisingly more than two orders of magnitude lower than the ones in dry oxygen. This huge deviation can be attributed to different distortions of the cages, occupied in air with OH- respectivly in dry oxygen with O2-.

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