Ziel dieses Teilprojekts ist die Entwicklung von Modellen und die Ableitung von Kinetiken für die Reduktion von Eisenoxid mit Hilfe von DFT-Berechnungen. Während die verschiedenen FeOx-Volumenphasen sehr gut verstanden sind, gibt es noch offene Fragen im Zusammenhang mit der Dynamik von Reduktionsprozessen auf FeOx-Grenzflächen auf atomarer Skala. Insbesondere die kinetischen Barrieren an den Oberflächen verschiedener Eisenoxide sowie an deren Phasengrenzen sind weitgehend unbekannt. Auch eine detaillierte atomistische Betrachtung, wie die Reduktion von Fe2O3 über Fe3O4 und FeO zu Fe erleichtert wird und wie das Zusammenspiel von Oberflächenkinetik und Volumendiffusion (z.B. von Wasserstoff oder Sauerstoff) aussieht, ist noch spärlich.
Dieses Teilprojekt zielt auf ein besseres Verständnis dieser Oberflächenprozesse und der Volumendiffusion mithilfe von DFT-Berechnungen ab. Wir werden verschiedene FeOx/FeOy-Grenzflächenmodelle konstruieren, um zu untersuchen, wie Reduktions- und Diffusionsbarrieren von der lokalen atomaren Umgebung abhängen. Die Modelle werden auch als Input für das Teilprojekt J.-D. Grunwaldt zur spektroskopischen Charakterisierung des FeOx-Reduktionsprozesses dienen, da sie z.B. bei der Simulation von XANES- oder EXAFS-Spektren helfen werden. Die beobachteten kinetischen Barrieren auf der atomaren Skala werden in kinetische Simulationen der AG Deutschmann einfließen und zu einem Verständnis des gesamten Reduktionsprozesses auf der Makroskala führen. Untersuchungen der elektrochemischen Reduktionsprozesse mit Hilfe von DFT-Berechnungen in Zusammenarbeit mit der Gruppe von U. Kramm sind ebenfalls vorgesehen.
Wissenschaftliche Herausforderungen
1. Konstruktion von verschiedenen Eisenoxidoberflächen und -grenzflächen
2. Berechnung der Oberflächenreduktion und der Grenzflächen/Volumendiffusionsbarrieren in Zusammenarbeit mit der Gruppe von O. Deutschmann
3. Interpretation von Röntgenspektren in Zusammenarbeit mit der Gruppe von J.-D. Grunwaldt
4. Entwicklung der theoretischen Beschreibung der Reduktion auf atomarer und Mikroebene in Zusammenarbeit mit den Gruppen Grunwaldt und Deutschmann
