Sauerstoffvacanzen

Sauerstoffvacanzen sind Gitterdefekte in vielen Metalloxiden, bei denen ein Sauerstoffion aus dem Ionengitter fehlt. Sie treten als Punktdefekte auf und können intrinsisch oder durch äußere Einflüsse wie Reduktion oder Dotierung erzeugt werden. In der Kristallchemie und der Festkörperphysik sind sie zentrale Träger von Sauerstofftransport und beeinflussen sowohl die chemischen als auch die elektronischen Eigenschaften eines Materials.

Entstehung und Eigenschaften: Sauerstoffvacanzen entstehen unter reduzierenden Bedingungen, bei hohen Temperaturen oder bei geringem Sauerstoffpartialdruck. Durch Dotierung mit aliovalenten Ionen (zum Beispiel Y3+ in Zirconia oder Ce3+ in Ceria) wird Ladungsausgleich erforderlich, wodurch Sauerstoffvacanzen als stabiler Defekt entstehen. In der Kröger-Vink-Notation werden sie oft als V_O^{••} dargestellt. Die Anwesenheit von Vacanzen erhöht die Mobilität der Sauerstoffionen im Kristallgitter und senkt oft die Aktivierungsenergie für den Sauerstofftransport.

Bedeutung und Anwendungen: Sauerstoffvacanzen bestimmen maßgeblich die Ionenleitfähigkeit oxider Materialien. Sie ermöglichen die Funktionsweise von Festoxidbrennstoffzellen, Sauerstoffsensoren und bestimmten katalytischen Prozessen. In Perowskit- und ZrO2-/CeO2-Systemen steuern sie Redoxzyklen, Oberflächenreaktionen und die Stabilität von Phasen. Ihre Konzentration hängt von Temperatur, pO2 und Dotierung ab und lässt sich experimentell sowie durch Simulationen charakterisieren.

Nachweis und Forschung: Methoden wie Impedanzspektroskopie, Thermogravimetrie, Elektronenparamagnetische Resonanz und ab-initio-Berechnungen werden eingesetzt, um Vacanzen zu identifizieren, ihre Konzentration zu bestimmen und ihre Mobilität zu quantifizieren.