Keramik und Glas
Warum leitet stabilisiertes Zirkonoxid (YSZ), also ZrO₂ mit darin gelöstem Y₂O₃, Oxidionen?
- AY³⁺ besetzt Zwischengitterplätze und liefert freie Elektronen
- BY³⁺ ersetzt Zr⁴⁺, und auf je zwei Y³⁺ entsteht eine Sauerstoffleerstelle
- CY³⁺ ersetzt Zr⁴⁺, und auf jedes Y³⁺ entstehen zwei Sauerstoffleerstellen
Lösung und Erläuterung anzeigen
Lösung: B. Y³⁺ ersetzt Zr⁴⁺, und auf je zwei Y³⁺ entsteht eine Sauerstoffleerstelle
Besetzt das dreiwertige Y³⁺ einen Platz des vierwertigen Zr⁴⁺, fehlt pro Ion eine positive Ladung. Zur Wahrung der Elektroneutralität entsteht auf je zwei Y³⁺ eine Leerstelle des zweiwertigen Oxidions (in Kröger-Vink-Notation Y₂O₃ → 2Y′_Zr + V_O•• + 3O_O). Bei hoher Temperatur wandert O²⁻ über diese Sauerstoffleerstellen, sodass YSZ als Festelektrolyt in Sauerstoffsensoren und Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) eingesetzt wird. Zwei Leerstellen pro Y³⁺ gleichen die Ladung nicht aus, und Y besetzt auch keine Zwischengitterplätze, um Elektronen abzugeben. Der Zusatz von Y₂O₃ dient außerdem dazu, die kubische oder tetragonale Phase bis Raumtemperatur zu stabilisieren.