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Protonendynamik und Phasenübergang von Rb3-x(NH4)xH(SO4)2 – Untersuchung eines Modellssystems für technisch verwendbare Protonenleiter und Brennstoffzellen

Das System Rb3H(SO4)2 gehört zu den Verbindungen des Typs M3H(XO4)2, das mit den Komponenten M = NH4, Rb, Cs und X = S, Se verschiedene ferroische Phasen aufweist. Kristalle dieser Spezies sind unterhalb der Phasenumwandlungstemperatur TC ferroelastisch und besitzen oberhalb TC aufgrund ihrer hohen Protonenbeweglichkeit technisch relevante superionische Leitfähigkeiten. Das untersuchte System gilt als Modellsystem für technisch verwendbare Protonenleiter und Brennstoffzellen. Ursächlich hängt dies damit zusammen, dass die Protonen in der paraelastischen Phase auf ihren Atompositionen statistisch verteilt sind und sich in der (001)-Ebene der trigonalen Phase innerhalb eines dynamischen Wasserstoffbrückenbindungsnetzwerkes formieren (dynamically disordered hydrogen bond network (DDHBN)). Der Transport erfolgt insbesondere durch intramolekulare Sprünge des Protons und Reorientierung der Tetraeder. Dieser Effekt induziert superprotonische Leitfähigkeiten mit den Werten sadc = sbdc = 10-4 S cm-1 in der (001)-Ebene.

Ziel der Arbeit:

Statische und 1H MAS NMR-spektroskopische Untersuchungen sollen erste Aufschlüsse über das lokale Verhalten der Protonen unterhalb sowie oberhalb der Phasenumwandlungstemperatur geben. Mittels ausgewählter temperaturabhängiger statischer 2H NMR Untersuchungen soll die Dynamik der freien Protonen von volldeuteriertem Rb3D(SO4)2 studiert werden. Die statischen 2H NMR-Linienprofile erlauben in Kombination mit zweidimensionalen bzw. dreidimensionalen 2H NMR Austauschexperimenten im intermediären Dynamikbereich Rückschlüsse auf die Art der Bewegungsform der Protonen.

Arbeitsplan:

Da die Synthesen der Kristalle eine Zeitdauer von ca. 6 - 8 Wochen (Verdampfungskristallisation) benötigten, ist es notwendig, diese schon frühzeitig vor Beginn der eigentlichen Arbeit in die Wege zu leiten. Das Ansetzen der Synthese selber bewegt sich dabei in einem Zeitrahmen von 1 – 2 Arbeitsstunden. In den ersten 10 Tagen soll sich der Kandidat in die zugehörende Literatur und begrenzt in die NMR Methodik einarbeiten, um einfache Experimente durchführen zu können. In den nächsten 15 Tagen werden einfache temperaturabhängige 1H und 2H MAS und statische NMR Untersuchungen an Rb3H(SO4)2 sowie Rb3D(SO4)2 durchgeführt. Die Auswertung, Simulation der theoretischen Spektren, Interpretation und Zusammenfassung der Ergebnisse (BSc-Arbeit) erfordert weitere 15 Arbeitstage.