Tailoring of material properties in perovskites for solar thermochemical applications

Klaas, Lena Friederike; Sattler, Christian; Schmücker, Martin

doi:10.18154/RWTH-2024-02220

Tailoring of material properties in perovskites for solar thermochemical applications = Anpassung der Materialeigenschaften von Perowskiten für solarthermochemische Anwendung

Klaas, Lena Friederike^RWTH*

2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Lena Friederike Klaas

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Sattler, Christian (Thesis advisor)^RWTH* ; Schmücker, Martin (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-01-17

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-02220
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/980380/files/980380.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Solare Brennstofferzeugung (422810)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
air separation (frei) ; ammonia production (frei) ; material design (frei) ; material sciences (frei) ; perovskites (frei) ; redox materials (frei) ; thermochemical cycles (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
In Anbetracht der negativen Auswirkungen von CO2-Emissionen auf das Weltklima muss die Industrie fossilfrei werden. Aufgrund der Variabilität der erneuerbaren Energien, wie Wind und Sonne, gewinnt die Energiespeicherung an Bedeutung. Thermochemische Energiespeicher dienen als gute Langzeit- und Saisonspeicher. Ein dabei wichtiger und bereits etablierter Rohstoff ist Ammoniak. Um Ammoniak fossilfrei zu produzieren, wird grüner Stickstoff benötigt. Grüner Stickstoff kann mit solarthermochemischen Kreisläufen nachhaltig produziert werden. Für die Effizienz und die Betriebsbedingungen, wie z. B. die Temperatur, ist das verwendete Redoxmaterial entscheidend. Perowskite haben sich als eine gute Materialklasse für diesen Zweck herausgestellt. Sie haben den Vorteil, dass sie aus vielen verschiedenen Elementen zusammengesetzt werden können. Daher ist wichtig, die Auswirkungen der teilweisen Substitution von Elementen in Perowskiten zu verstehen, um die Materialeigenschaften anzupassen. Die Auswirkungen der partiellen Substitution auf die Kristallstruktur werden mit Hilfe der Röntgenbeugung unter Anwendung der Rietveld-Verfeinerung und der Hochtemperatur-Röntgenbeugung analysiert und durch die Analyse der Molekülschwingungen mittels Raman-Spektroskopie ergänzt. Thermodynamische Veränderungen werden mittels thermogravimetrischer Analyse (TGA) unter Anwendung des van’t Hoff Ansatzes analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Veränderungen der Kristallstruktur auf die thermodynamischen Eigenschaften auswirken. Die Reduktions- und Oxidationskinetik wird ebenfalls mittels TGA analysiert. Diese Arbeit zeigt, dass die Oxidationskinetik sowohl durch die Substitution von Elementen als auch durch mikrostrukturelle Veränderungen beeinflusst werden kann. Schließlich wird der Einfluss der Materialzusammensetzung auf den Energiebedarf für einen Luftzerlegungsprozess durch thermodynamisch basierte Energieberechnungen analysiert. Diese Berechnungen werden durch Experimente in einem Festbettreaktor im kleinen Maßstab validiert. Insgesamt zeigt diese Arbeit die Auswirkungen der partiellen Elementsubstitution und der Mikrostruktur auf die Eigenschaften des Perowskits in Bezug auf die Effizienz und den Betriebsbedingungen. Das Verständnis dieser Effekte ermöglicht, die Materialeigenschaften für solarthermochemische Anwendungen so anzupassen, dass die richtigen Eigenschaften erzielt werden.

In light of the negative impact of CO2 emissions on the climate, the industry needs to transition to a fossil-free one. Due to the fluctuating nature of renewable energies, such as wind and solar, energy storage gains in importance. Thermochemical energy storage serves as an excellent long-term and seasonal storage. Here, one important and already well-established chemical commodity is ammonia. To produce fossil-free ammonia, green nitrogen is required. Green nitrogen can be produced sustainably using solar thermochemical cycles. The selected redox material is crucial for efficiency and operating conditions, such as temperatures. Perovskites have emerged as a suitable material class for this purpose. Perovskites have the advantage that they can be composed of many different elements. Thus, understanding the impact of partial elemental substitution in perovskites is essential to tailor the material properties. The impact of partial substitution on the crystal structure is analyzed by X-ray diffraction (XRD) applying the Rietveld refinement, high-temperature XRD, and complemented with the analysis of molecular vibrations by Raman spectroscopy. Thermodynamical changes are analyzed by thermogravimetric analysis (TGA) applying the van’t Hoff approach. The results reveal that the changes in the crystal structure impact the thermodynamic properties. The reduction and oxidation kinetics are as well analyzed by TGA. This work shows that oxidation kinetics can be affected by both element substitution and microstructural changes. Finally, the impact of the material composition on the energetic requirements for an air separation process is analyzed by thermodynamic-based energy calculations. Small-scale packed-bed reactor experiments validate them. All in all, this work highlights the effects of partial element substitution and microstructure on the perovskite properties in terms of efficiency and operating conditions. Understanding these effects enables tailoring of material properties for solar thermochemical applications to get the right feature.

OpenAccess:
PDF
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