Elektrochemische Sauerstoffreduktion an Festelektrolyten: Struktur-Eigenschafts-Beziehungen von perowskitartigen Modellelektroden

02.01.2010 - 31.10.2014
Forschungsförderungsprojekt
Im Zentrum dieses Projektes steht der elektrochemische Sauerstoffaustausch an Elektroden mit Perowskitstruktur auf Festelektrolyten. Diese Reaktion ist einerseits als festkörperelektrochemische Modellreaktion von sehr grundlegender Bedeutung, andererseits aber auch höchst relevant in Festoxidbrennstoffzellen, Gassensoren oder Sauerstoffpermeationsreaktoren. Kinetisch aktive Bereiche für die elektrochemische Redoxreaktion sind entweder die gesamte Elektrodenoberfläche oder die Dreiphasengrenzen zwischen Gas, Elektrode und Elektrolyt. Trotzdem ist der Einfluss, den die Oberflächenchemie (z.B. oberflächennahe Kationenzusammensetzung, Segregationen), die Kristallstruktur von Oberflächen und Volumen sowie die Mikrostruktur auf den Ablauf der elektrochemischen Reaktion haben, großteils ungeklärt. Auch Phänomene wie Degradation oder Aktivierung der Austauschstromdichte sind wenig verstanden. Ziel dieses Projektes ist es, Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von perowskitischen Elektroden zu untersuchen und zu quantifizieren sowie die Elementarmechanismen des elektrochemischen Sauerstoffaustauschs bzw. die funktionelle Bedeutung der verschiedenen Oberflächeneigenschaften besser zu verstehen. Die folgenden Schlüsselfragen stehen im Mittelpunkt der Arbeiten: i) Welche Rolle spielt die Oberflächenzusammensetzung, die (Oberflächen-)Kristallstruktur und die Mikrostruktur auf die Kinetik der elektrochemischen Sauerstoffreduktion? ii) Welche Gründe haben Degradations- und Aktivierungsphänomene an perowskitischen Elektoden? iii) Was sind die (normalisierten) Reaktionsraten an Dreiphasengrenzen? iv) Welches ist der exakte Reaktionsmechanismus der elektrochemischen Sauerstoffreduktion? Um zur Lösung dieser Fragen beizutragen, werden definierte Dünnschichtmikroelektroden aus (La,Sr)CoO3- und (La,Sr)MnO3 auf Yttrium-stabilisiertem Zirconiumdioxid mit gepulster Laserdeposition und Lithographie hergestellt und impedanzspektroskopisch sowie durch I-U-Messungen untersucht. Die systematische Modifizierung der Oberflächen erfolgt durch Variation der Abscheidbedingungen bei der Filmherstellung, durch Spannungs- und Wärmebehandlung sowie über Ionenstrahlätzung, mit der ¿in-situ¿ neue Oberflächen und Dreiphasengrenzen erzeugt werden können. Informationen zu Struktur, Morphologie und chemischer Zusammensetzung insbesondere der Filmoberflächen werden mit Hilfe von Kooperationspartnern über HRTEM-, EELS-, TOF-SIMS-, XRD- und AFM-Messungen erhalten. Die Reaktionskinetik an Dreiphasengrenzen wird über zusätzliche Mikrostrukturierung der Mikroelektroden, Extrapolation von Messdaten unter anodischer Polarisation und mit Hilfe von speziellen Multischicht-Mikroelektroden gewonnen. Letztere erlauben elektrochemische Reaktionen nur nahe der Dreiphasengrenze. Zusätzliche mechanistische Informationen sollten mit Hilfe von p(O2)- und spannungsabhängigen Messungen gewonnen werden. Diese experimentellen Arbeiten müssten es uns erlauben, das Verständnis der elektrochemischen Sauerstoffreduktion an perowskitischen Elektroden signifikant zu verbessern.

Personen

Projektleiter_in

Projektmitarbeiter_innen

Institut

Förderungmittel

  • FWF - Österr. Wissenschaftsfonds (National) Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF)

Forschungsschwerpunkte

  • Non-metallic Materials: 40%
  • Climate Neutral, Renewable and Conventional Energy Supply Systems: 30%
  • Surfaces and Interfaces: 30%

Schlagwörter

DeutschEnglisch
Brennstoffzellenfuel cells
Elektrodenelectrodes

Publikationen