Perovskite monolithic structures for solar-powered thermochemical redox cycles

Pein, Mathias; Sattler, Christian; Cuniberti, Gianaurelio

doi:43198

Perovskite monolithic structures for solar-powered thermochemical redox cycles = Monolithische Perowskitstrukturen zur Anwendung in solarbetriebenen thermochemischen Redoxzyklen

Pein, Mathias^RWTH*

2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Mathias Pein

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* ; Cuniberti, Gianaurelio (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-02-15

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-03855
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/984087/files/984087.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Solare Brennstofferzeugung (422810)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
3D structures (frei) ; ceramic foam (frei) ; energy storage (frei) ; oxygen pumping (frei) ; redox oxides (frei) ; thermochemical cycles (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Nutzung von Sonnenwärme hat ein großes Potenzial im Kontext der Energieversorgung. Solare Wärme kann eine wesentliche Rolle bei der Bewältigung der Herausforderungen des industriellen Übergangs von fossilen Energiequellen hin zur Versorgung miterneuerbarer Energiegewinnung spielen. Konzentrierte Sonnenwärme ist vielseitig einsetzbar. Sie kann zur Stromerzeugung, sowie zur Bereitstellung von Wärmeenergie in industriellen Prozessen oder zum Antrieb chemischer Reaktionen genutzt werden. Thermochemische Redoxzyklen, die mit konzentrierter Sonnenwärme betrieben werden, haben in den letzten Jahren vielversprechende Ergebnisse in einer Reihe von Prozessen gezeigt, nicht nur im Zusammenhang mit der Wasser- und Kohlendioxidspaltung fü r die Synthesegaserzeugung, sondern auch für die (thermische) Energiespeicherung, das Pumpen von Sauerstoff und die Luftzerlegung. Perowskite in Form vonABO3-Mischmetalloxiden sind eine vielseitige Materialklasse für solch thermochemische Redoxkreisläufe. Die große Anzahl möglicher Zusammensetzungen, die durch Bildung von festen Lösungen mit verschiedenen A- und B-Stellen-Kationen verfügbar sind, ermöglichen eine Feinabstimmung der thermodynamischen Eigenschaften des Materials auf die Anforderungen eines Prozesses. Darüber hinaus können Perowskite nicht stöchiometrisch reduziert und oxidiert werden, was bedeutet, dass sie bei der Reduktion und Oxidation keine substantiellen Veränderungen ihrer Kristallstruktur erfahren. Insbesondere bei Anwendungen, welche dreidimensionale Strukturen nutzen, ist die strukturelle Stabilität von großer Bedeutung. Perovskite können dabei im Vergleich zu konkurrierenden Redoxsystemen, wie z. B. Mn2O3/Mn3O4 und Fe2O3/Fe3O4, aufgrund ihrer thermodynamischen, kinetischen und thermomechanischen Eigenschaften vorteilhaft sein. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf sogenannte Downstream-Prozesse, wie die thermische bzw. thermochemische Speicherung von Energie und das thermochemische Pumpen von Sauerstoff. Solche Prozesse finden abseits eines Solarreceivers statt und erfordern Temperaturen bis zu 1100 °C. Diese Arbeit deckt die gesamte Entwicklungskette vom Screening geeigneter Perowskit-Zusammensetzungen in kleinmaßstäblichen Versuchsaufbauten und Analysetechniken, über die Herstellung stabiler, offenporiger, monolithischer Strukturen identifizierter Zusammensetzungen, die Charakterisierung solcher Strukturen und die Demonstration ihrer Nutzung in einem Reaktor im Labormaßstab ab. Die Ergebnisse zeigen, dass CaMnO3 und seine A-Stellen Sr-substituierten Varianten ein großes Potenzial für die thermochemische Energiespeicherung und das thermochemische Pumpen von Sauerstoff aufweisen. In diesem Kontext, zeigte sich Ca0.9Sr0.1MnO3-δaufgrund der Ergebnisse als besonders vielversprechendes Material.

The utilization of solar heat offers great potential in the context of energy supply. Solar heat can play an essential role overcoming challenges of the industrial transfer away from fossil energy sources. Concentrated solar heat is versatile and can be used to produce electricity, supply thermal energy in industrial processes or to drive chemical reactions. Thermochemical redox cycles, powered by concentrated solar heat, have shown promising results in a variety of processes within the past years. They can be utilized in the context of water and carbondioxide splitting for syngas production, energy storage, oxygen pumping and air separation. Perovskites in the form of ABO3 mixed metal oxides are a versatile material class for such thermochemical redox cycles. The large number of possible compositions, available through the formation of solid solutions with various A and B-site cations, allow fine tuning of thermodynamic characteristics of the material in order to fit the requirements of a desired process. Furthermore, perovskites can be reduced and oxidized non-stoichiometrically, meaning they do not undergo severe changes in their crystal structure upon reduction and oxidation. Especially in applications where threedimensional structures are utilized, structural stability is of utter importance. In this context, perovskites can be beneficial in comparison to competing redox systems, such as Mn2O3/Mn3O4 and Fe2O3/Fe3O4, due to their favorable thermodynamic, kinetic and thermomechanic characteristics. The presented work focuses on so-called down-stream processes, such as thermal and thermochemical energy storage and thermochemical oxygen pumping. These processes are performed away from a solar receiver and require temperatures up to 1100 °C. This work covers the complete chain of development from screening of suitable perovskite compositions in small-scale test-setups and analysis techniques, over the production of stable, open porous, monolithic structures of identified compositions, the characterization of such structures and the demonstration of their utilization in a lab-scale reactor. The results showed that open porous structures made from CaMnO3 and its A-site Sr substituted variants offer great potential for thermochemical energy storage and thermochemical oxygen pumping. In this context, Ca0.9Sr0.1MnO3-δ was shown to be a particularly promising material composition for the utilization of monolithic open porous strucures.

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