zuurstofvacanties

Zuurstofvacanties, in het Engels oxygen vacancies, zijn een type puntdefect in kristallijne oxide-materialen waarbij een zuurstofatoom ontbreekt op een latticeplaats. In Kröger–Vink-notatie wordt een zuurstofvacature vaak aangeduid als V_O met een ladingsstate zoals V_O•• (dubbel positief geladen) of V_Ox (neutraal), afhankelijk van de oplaadstatus.

Ze ontstaan bij hoge temperaturen in reductieve omstandigheden of bij lage zuurstofdruk, en kunnen worden beïnvloed door dopings. Zo dragen donor-dopants (bijvoorbeeld Nb- of Ta-dopants) bij aan een hogere concentratie zuurstofvacanties om de lading te compenseren; ook acceptor-dopants kunnen effecten hebben afhankelijk van de materiaalomgeving. Zuurstofvacanties fungeren als migrerende kernen voor oxide-iondiffusie, waardoor de ionische geleidbaarheid van oxidematerialen toeneemt. Dit maakt ze cruciaal voor toepassingen zoals lagen voor solid oxide fuel cells (SOFC), zuurstofmembranen en andere ionengeleidende keramische systemen.

Naast ionische diffusie beïnvloeden zuurstofvacanties ook de elektronische geleiding in halfgeleide oxiden en kunnen ze katalytische reacties activeren op oppervlakken. In katalyse en redox-chemie spelen ze een sleutelrol bij processen zoals oxidatie, brandstofceldeling en luchtzuivering. Voorbeelden van relevante systemen zijn ceria (CeO2) en gerelateerde oxiden, waar de aanwezigheid en mobiliteit van zuurstofvacanties centraal staan voor redox-cycling en opslagvermogen; ook in andere oxiden en perovkietachtige materialen dragen deze defecten bij aan de functionaliteit.

Characterisering gebeurt via impedantie-spectroscopie, EPR of XPS, neutronen-diffractie en computationele benaderingen zoals DFT, die inzicht geven in de concentratie, locatie en migratie van de vacanties. Het beheer van de vacante concentratie door temperatuur, zuurstofdruk en dopingsniveau is van essentieel belang voor de prestaties in katalyse en energietoepassingen.

---