Metalleinkristall-Gasdruck- und -flusszellen für die Operando-Neutronenbeugung

Abstract

Das Verständnis chemischer Reaktionspfade ist entscheidend, um technisch relevante Prozesse gezielt beeinflussen und optimieren zu können. Insbesondere Reaktionen zwischen Feststoffen und Gasen spielen dabei eine Schlüsselrolle. Sie treten in zahlreichen Anwendungsfeldern auf, etwa bei der Metallkorrosion, in der Metallgewinnung aus Erzen, bei der Speicherung von Wasserstoff sowie in der heterogenen Katalyse. Damit sind sie zentral für Herstellung, Einsatz und Alterung moderner Funktionsmaterialien. Um die zugrunde liegenden Vorgänge im Detail zu erfassen, sind zeitafgelöste experimentelle Methoden erforderlich. Dazu gehören insbesondere die Beobachtung von strukturellen Umwandlungen und kinetischen Prozessen in Festkörpern unter realitätsnahen Bedingungen, also direkt während der Reaktion (in situ bzw. operando). Neutronenstrahlen als Sonde bieten Vorteile aufrgund ihrer hohen Empfindlichkeit gegenüber leichten Elementen wie H, C, N, O und ihre große Durchdringungsfähigkeit gegenüber komplexen Probenumgebungen. Vor diesem Hintergrund war das Ziel des Projektes die Entwicklung einer modularen Probenumgebung für Operando-Neutronenbeugung bei drastischen Druck- und Temperaturbedingungen. Ein zentrales Konzept bestand in der Verwendung von Nickel-Einkristallen als Zellmaterial, wodurch ein deutlich reduzierter Beugungshintergrund erreicht wird. Mit einer kontaktlosen Induktionsheizung konnten 1350 K erreicht werden, wobei zum Schutz der Zellen ein umgebender Inertgasstrom verwendet wird. Hohe Wasserstoffgasdrücke bis 1 kbar werden mit einem Wasserstoffkompressor realisiert. Der einkristalline Charakter der Nickel-Kristalle wurde mit Neutronenbeugung bestätigt (ω scans). Die Hochdruckzellen wurden erfolgreich bis 1 kbar getestet und zeigen eine gute Dichtigkeit. Zum Test des Operando-Aufbaus für die Neutronenbeugung unter Gasfluss wurde die Reaktion von Titan und Scandium sowie ihren Hydriden mit Stickstoff zu den jeweiligen Nitriden untersucht. Dies erlaubte das zeitaufgelöste Verfolgen der Nitridbildung inkl. der Stickstoffbesetzung interstitieller Plätze und zeigte das Potenzial dieser Methode. Die entwickelte Gasflusszelle ermöglicht für viele technologisch wichtige Prozesse operando-neutronendiffraktometrische Untersuchungen unter realistischen Bedingungen. Am Diffraktometer D20 (ILL) ist eine zeitliche Auflösung von etwa einer Minute unter Wasserstofffluss und induktiver Beheizung realistisch, wenn präzise Strukturdaten extrahiert werden; die Phasenbildung kann mit einer Zeitauflösung im Sekundenbereich verfolgt werden. Die im Projekt entwickelte experimentelle Infrastruktur zur Operando-Neutronenbeugung an Fest-Gas-Reaktionen ist modular aufgebaut und um zusätzliche Charakterisierungstechniken erweiterbar. Insgesamt ergibt sich ein hohes Potential für die Anwendung in Forschung, Entwicklung und Industrie, inbesondere für die Forschungsfelder Neue Materialien und Energie.