Karakterisering av høytemperaturegenskaper i Ca12Al14O33

Abstract

Sammendrag Denne oppgaven beskriver arbeidet med å karakterisere høytemperaturegenskapene til Ca12Al14O33, også kalt Mayenitt, 12CaO•7Al2O3 eller bare C12A7. Det er rapportert at Mayenitt inneholder hydridioner etter reduksjon i høy temperatur, og at disse kan fungere som elektrondonorer ved fotoeksitasjon under UV-bestråling. Ca12Al14O33 har en mikroporøsporøs kubisk struktur, hvor Ca12Al14O322+ danner et gitter med seks sub-nanometer bur inneholdende ett O2-ion. Dette oksygenionet er løst bundet sammenlignet med oksygenionene i gitteret, og dette gjør det enkelt å redusere stoffet, slik at oksygen kan erstattes av lokaliserte elektroner på oksygenplass. Ca12Al14O33 har høy oksygenioneledningsevne i oksiderende, tørr atmosfære, og er rapportert som en blanding av elektronisk leder og protonleder i reduserende atmosfære. Imidlertid dekomponerer stoffet i reduserende, tørr atmosfære ved T > 1100 °C. Mayenitt ble syntetisert ved bruk av sitratmetoden, og det ble preparert porøse og tette prøver til bruk ved henholdsvis termogravimetriske målinger og ledningsevnemålinger. Prøvene ble karakterisert både før og etter målingene ved røntgendiffraksjon og scanning elektronmikroskopi. Det ble gjort termogravimetriske målinger av vannopptak som funksjon av temperatur, pO2 og pH2O, og termodynamiske data for hydratiseringsreaksjonen ble utledet. Termogravimetriske målinger ble også benyttet for å teste stabilitet over lengre tid i reduserende, tørr atmosfære. Det ble videre gjort ledningsevnemålinger som funksjon av pO2, temperatur og pH2O. Ledningsevnen ble i tillegg målt over lengre tid i reduserende, tørr atmosfære for å teste effekten av en eventuell dekomponering. Det ble også gjennomført impedansspektroskopi i oksiderende og reduserende atmosfære. Resultatene viste at Ca12Al14O33 i hovedsak har elektronisk ledningsevne i reduserende atmosfære og ionisk ledningsevne i oksiderende atmosfære ved T > 900 °C. Termodynamiske data for hydratiseringsreaksjonen ble beregnet til -223 kJ•K-1 for ∆H og -120 J•K-1•mol-1 for ∆S. Aktiveringsenergi for elektronisk ledningsevne ble beregnet til 2,6 eV på bakgrunn av målte data. Det ble bekreftet ved røntgendiffraksjon og scanning elektronmikroskopi at prøven hadde gjennomgått en faseovergang i løpet av målingene.