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Controlling thermal expansion and phase transitions in Ca1−xSrxMnO3−δ by Sr-content

Klaas, Lena und Pein, Mathias und Mechnich, Peter und Francke, Alexander und Giasafakis, Dimitra und Kriechbaumer, Dorottya und Agrafiotis, Christos und Roeb, Martin und Sattler, Christian (2022) Controlling thermal expansion and phase transitions in Ca1−xSrxMnO3−δ by Sr-content. Physical Chemistry Chemical Physics, 45 (24), Seiten 27976-27988. Royal Society of Chemistry. doi: 10.1039/D2CP04332G. ISSN 1463-9076.

[img] PDF - Nur DLR-intern zugänglich - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
2MB

Offizielle URL: https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/CP/D2CP04332G

Kurzfassung

Perovskite oxides of the general formula ABO3−δ, with A and B being metal cations, present themselves in various crystal structures that originate from a distorted ideal cubic perovskite. Understanding how composition, temperature, atmosphere and reduction extent of these non-stoichiometric redox materials induce structural changes on an atomic, as well as macroscopic, level is crucial to transfer newly developed materials to industrial scale applications in the redox-based energy conversion sector. Herein, Ca1−xSrxMnO3−δ (x ∈ [0,0.2]) and its micro- and macroscopic structural changes at elevated temperatures and varying oxygen partial pressure are analyzed by means of in situ high temperature XRD, DSC and dilatometry. Results are expanded by room temperature XRD of compositions with higher Sr-content up to x = 0.4. By adjusting the Sr-content, the formed crystal structure can be governed and thermal expansion can be impacted beneficially in the context of future applications utilizing monolithic structures. Phase transitions from orthorhombic to cubic were found to shift from 900 °C to 830 °C under air and to even lower temperatures under 1% O2 atmosphere. Small amounts of Sr-content (5–10%) stabilize the macroscopic structural integrity by improving the reversibility of the cyclic thermal expansion and contraction in a 1% O2 atmosphere. However, at Sr-contents of 20% an increased irreversible residual expansion within each thermal cycle becomes apparent and shows that such improvements do not follow a linear dependency with Sr-content, but most benefits in this context can be found at Sr-contents below 20%. The results demonstrate the sensitivity of such materials micro- and macroscopic characteristics to composition. In the context of utilization of monolithic structures, fabricated entirely from Ca1−xSrxMnO3−δ, in thermochemical or thermoelectric applications, the results have considerable significance as minor A-site Sr-substitution can substantially improve macroscopic stability of monolithic structures over multiple thermal cycles. Besides the often solely regarded thermodynamic characteristic, this work demonstrates the importance to consider the impact of composition on structural behavior in materials design processes including perovskites for thermochemical applications.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/193422/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Controlling thermal expansion and phase transitions in Ca1−xSrxMnO3−δ by Sr-content
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Klaas, LenaLena.Klaas (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-0671-2335NICHT SPEZIFIZIERT
Pein, MathiasMathias.Pein (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-2796-1229NICHT SPEZIFIZIERT
Mechnich, PeterPeter.Mechnich (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-4689-8197NICHT SPEZIFIZIERT
Francke, AlexanderAlexander.Francke (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Giasafakis, Dimitrad.giasafaki (at) inn.demokritos.grNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Kriechbaumer, DorottyaDorottya.Kriechbaumer (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0001-7183-6401NICHT SPEZIFIZIERT
Agrafiotis, ChristosChristos.Agrafiotis (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-7140-9642NICHT SPEZIFIZIERT
Roeb, MartinMartin.Roeb (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-9813-5135NICHT SPEZIFIZIERT
Sattler, ChristianChristian.Sattler (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-4314-1124NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:14 November 2022
Erschienen in:Physical Chemistry Chemical Physics
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Nein
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:45
DOI:10.1039/D2CP04332G
Seitenbereich:Seiten 27976-27988
Verlag:Royal Society of Chemistry
ISSN:1463-9076
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Perovskite oxides, structural behavior, redox-based energy conversion sector
HGF - Forschungsbereich:Energie
HGF - Programm:Materialien und Technologien für die Energiewende
HGF - Programmthema:Chemische Energieträger
DLR - Schwerpunkt:Energie
DLR - Forschungsgebiet:E SW - Solar- und Windenergie
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):E - Solare Brennstoffe
Standort: Jülich , Köln-Porz
Institute & Einrichtungen:Institut für Future Fuels
Institut für Future Fuels > Solarchemische Verfahrensentwicklung
Institut für Werkstoff-Forschung
Institut für Werkstoff-Forschung > Struktur- und Funktionskeramik
Hinterlegt von: Bülow, Mark
Hinterlegt am:30 Jan 2023 07:25
Letzte Änderung:30 Jan 2023 10:26

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