Phosphatgläser und Glas-Keramiken: Materialien der Zukunft für fortschrittliche Batterien und Katalysatoren

Das Verständnis der Glasstruktur und der Interaktionen zwischen den strukturellen Elementen dieser Materialien ist entscheidend für die Entwicklung neuer, effizienterer und kostengünstigerer Natrium-Ionen-Batterien sowie neuer Katalysatoren.

Zagreb, 21. Juni 2024 – Glas, das auf den ersten Blick als gewöhnliches Material erscheinen mag, hat eine lange Geschichte und eine wichtige Rolle in unserem Leben als eines der ältesten hergestellten Materialien. Es ist ein unverzichtbarer Bestandteil des Alltags und aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften Gegenstand intensiver Forschungen von Wissenschaftlern weltweit. Durch die Erforschung von Phosphatgläsern und Glas-Keramiken haben Wissenschaftler des Instituts Ruđer Bošković (IRB) herausgefunden, wie die Anpassung der Eigenschaften ihr Potenzial für fortschrittliche technologische Anwendungen bei der Entwicklung besserer Materialien für Batterien der nächsten Generation und Katalysatoren erhöhen kann.

Das Potenzial von Phosphatgläsern

Phosphatgläser sind besonders interessant aufgrund ihrer Fähigkeit, Strom zu leiten, was sie ideal für den Einsatz in Sensoren und Batterien macht. Forschungen von Wissenschaftlern am IRB haben gezeigt, dass durch die Veränderung der Glaszusammensetzung deren Leitfähigkeit erheblich verbessert werden kann. Dieses Phänomen ermöglicht es Wissenschaftlern, neue Gläser mit besseren Eigenschaften für den Einsatz in Natrium-Ionen-Batterien zu entwickeln, die eine kostengünstigere und zugänglichere Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien darstellen.

Verbesserte elektrische Leitfähigkeit für fortschrittliche Batterien

Aber wie genau kann Glas, das normalerweise als nichtleitendes Material betrachtet wird, Strom leiten? In Laboren wie dem Labor für funktionelle Materialien am IRB tauchen Forscher tief in die Welt der Phosphatgläser und Glas-Keramiken ein.

Sara Marijan, Doktorandin der Kroatischen Wissenschaftsstiftung (HrZZ) und wissenschaftliche Assistentin im Labor für funktionelle Materialien, unter der Leitung von Dr. sc. Luka Pavić und Associate Prof. Dr. sc. Jana Pisk von der Fakultät für Naturwissenschaften und Mathematik der Universität Zagreb (PMF), konzentriert sich auf spezielle mehrkomponentige Glassysteme. Dabei handelt es sich um Glas, das in seiner Grundformulierung aus vier verschiedenen Oxidarten besteht. Solche mehrkomponentigen Systeme ermöglichen eine komplexere Kontrolle über die optischen, mechanischen und elektrischen Eigenschaften des Glases, dank der Kombination verschiedener Oxide, die zusammen ein gemischtes Glasnetzwerk bilden und so die erforschten Eigenschaften verbessern können.

Diese Systeme sind auch für den Einsatz in Natrium-Ionen-Batterien konzipiert und bestehen aus einer Kombination von Natriumoxid und drei Glasbildneroxiden. Dabei sind die klassischen Glasbildner Phosphor- und Niobpentoxid überwiegend vorhanden, während Vanadiumpentoxid als drittes, minderwertiges Glasbildner hinzugefügt wurde. Die Zugabe von Vanadiumpentoxid ist besonders interessant, da es eine doppelte Rolle spielen kann: Neben der Modifikation der Glasstruktur kann es auch zur Gesamtelektrizität beitragen.

''Was diese Materialien so besonders macht, ist ihre Fähigkeit, Strom durch einen doppelten Mechanismus zu leiten. Gläser wie die, die wir in unserem Labor untersuchen, und die sowohl Natriumoxid als auch Vanadiumpentoxid enthalten, können elektrischen Strom durch die Bewegung von Natriumionen durch das Glasnetzwerk sowie durch den Elektronensprung von einem Vanadiumion zum anderen leiten. Ein solcher doppelter Leitfähigkeitsmechanismus kann zu einer besseren Effizienz beim Laden und Entladen von Batterien führen'', erklärt Sara Marijan.

In einer kürzlich durchgeführten Studie von Wissenschaftlern des IRB, in Zusammenarbeit mit Associate Prof. Dr. sc. Jana Pisk und Associate Prof. Dr. sc. Željko Skoko von der PMF sowie Prof. Peter Mošner und Prof. Ladislav Koudelka von der Fakultät für chemische Technologie der Universität Pardubice, wurden verschiedene Mengen an Vanadium- und Niobpentoxid zu diesen mehrkomponentigen Phosphatglassystemen hinzugefügt, um zu sehen, wie dies die Fähigkeit des Glases, Strom zu leiten, verändert. Es wurde festgestellt, dass die Zugabe von Niobpentoxid die Bewegung der Natriumionen durch das Glas beschleunigt und die Leitfähigkeit des Glases erheblich erhöht.

Die Rolle von Niob

Mit zunehmendem Niobgehalt verwandelt sich die Glasstruktur in ein Hybrid aus Niobat und Phosphat. Diese Veränderung ist entscheidend, da das Glas hier seine optimale Leitfähigkeit erreicht, insbesondere wenn der Niobgehalt etwa 20% beträgt. Allerdings führen zu hohe Niobmengen zur Bildung von Niobatclustern, die die Bewegung der Natriumionen durch die Glasstruktur verlangsamen. Daher ist es wichtig, das empfindliche Verhältnis dieser Komponenten zu verstehen, um die optimale Zusammensetzung zu finden.

''Durch den Einsatz fortschrittlicher Techniken wie der Elektronen-Paramagnetischen Resonanz sowie der Vibrations- und Impedanzspektroskopie haben wir festgestellt, dass strukturelle Veränderungen zu einer Leistungssteigerung des Glases führten, insbesondere bei etwa 20% Niob, wo die Leitfähigkeit am höchsten war. Diese detaillierte Untersuchung hat uns gezeigt, dass das Hinzufügen von Niob bis zu einem bestimmten Punkt vorteilhaft sein kann, darüber hinaus jedoch die elektrischen Eigenschaften des Materials beeinträchtigen kann'', erklärt Sara Marijan.

Katalytische Eigenschaften von Glas

''Neben der Entwicklung der Synthese von Gläsern und Glas-Keramiken und der Korrelation ihrer thermischen und elektrischen Eigenschaften mit den strukturellen Merkmalen, haben wir in Zusammenarbeit mit Associate Prof. Dr. sc. Jana Pisk von der PMF im Rahmen von Saras Doktorarbeit einen neuen Forschungszweig eröffnet, der diese Materialien als Katalysatoren untersucht. Überraschenderweise gibt es nicht viele Studien zu diesem Thema, obwohl Phosphatgläser und Glas-Keramiken sich als potenzielle Katalysatoren für chemische Reaktionen wie die Epoxidierung gezeigt haben, was neue Wege für ihre Anwendung eröffnet'', so der Betreuer Dr. sc. Luka Pavić, einer der Forschungsleiter.

''Bei der Untersuchung der Möglichkeiten von Glas als Katalysator haben wir festgestellt, dass Gläser mit hohem Vanadiumoxidgehalt eine ausgezeichnete katalytische Aktivität und Selektivität in katalytischen Reaktionen zeigen'', erklärt Sara Marijan.

Es ist erwähnenswert, dass das Ausgangsmaterial regeneriert und wiederverwendet werden kann, wobei es seine Effizienz im nächsten katalytischen Zyklus beibehält. Darüber hinaus können diese Gläser durch ein einfaches Verfahren hergestellt werden, das die Reproduzierbarkeit sicherstellt und die Herstellung dieser Materialien in größerem Maßstab vereinfacht, was für die Anwendung in der industriellen Katalyse von besonderer Bedeutung ist.

Bedeutung der Forschung

''Solche Forschungen sind wichtig, da das Verständnis der Verbindung von verschiedenen Oxiden innerhalb der Glasstruktur Möglichkeiten zur Entwicklung neuer Arten von Natrium-Ionen-Batterien eröffnet, die effizienter und kostengünstiger als die derzeitigen Lithium-Ionen-Optionen sein könnten'', schlossen die Wissenschaftler.

Darüber hinaus haben die Wissenschaftler durch diese Forschungen die Multifunktionalität von Phosphatgläsern und Glas-Keramiken weiter bestätigt. Sie haben auch gezeigt, dass die elektrischen und katalytischen Eigenschaften eng mit den strukturellen Merkmalen des Glases verbunden sind, was eine weitere Anpassung und Optimierung für spezifische Anwendungen ermöglicht.

In ihren Forschungen nutzte das Team fortschrittliche Techniken wie Raman- und Infrarotspektroskopie, Impedanzspektroskopie für Festkörper und Gaschromatographie, um die Glasstruktur und ihre Korrelation mit den elektrischen und katalytischen Eigenschaften näher zu untersuchen. Diese Methoden zeigten, dass durch einfache Veränderungen in der Zusammensetzung direkt die Fähigkeit des Glases, Strom zu leiten, und seine Leitfähigkeit erheblich verbessert sowie eine hohe katalytische Aktivität erreicht werden kann.

Die Forschungsergebnisse zu Phosphatgläsern und Glas-Keramiken der Wissenschaftler des Labors für funktionelle Materialien wurden in mehreren wissenschaftlichen Zeitschriften veröffentlicht: Journal of Physics and Chemistry of Solids, International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials, Journal of Non-Crystalline Solids und International Journal of Molecular Sciences. Die Forschung wurde im Rahmen von Projekten der Kroatischen Wissenschaftsstiftung und der HAZU -Stiftung unterstützt.