Interfaces and durability of advanced electrodes for energy : SOFC and SOEC

Interfaces et durabilité des électrodes de pointe pour l'énergie (PAC et EHT)L'objectif de cette thèse concerne l'élaboration, par atomisation électrostatique, d'une électrode à oxygène à architecture innovante, basée sur un composite Ce0.9Gd0.1O1.95 (CGO) - La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ (LSCF) possédant un gradient de composition ou une composition homogène. Cette électrode a été déposée sur un substrat de zircone yttriée (YSZ = 8 % mol. Y2O3-ZrO2) sur laquelle, a été intercalée au préalable une couche barrière mince et dense de CGO. Cette électrode possède une microstructure innovante, à porosité élevée permettant d'obtenir une grande surface active qui devrait conduire à l'amélioration des performances électrochimiques. Le comportement électrique de l'électrode a été étudié par spectroscopie d'impédance en fonction de la température et sous air. Une description microstructurale détaillée a été effectuée à l'aide d'un modèle de reconstruction 3D obtenu par -MEB équipé d'une sonde ionique focalisée et par nanotomographie X. Ces propriétés microstructurales ont été reliées aux propriétés électriques. Les propriétés mécaniques et tribologiques de cette électrode composite ont été déterminées par des tests du scotch et ultra-microindentation. Finalement, des tests de durabilité ont été effectués sur une électrode de grande taille possédant une surface active de 45 cm2 jusqu'à 800 h à environ 770°C, dans une cellule complète de configurations PAC et fonctionnant respectivement sous H2 et un mélange H2/H2O.Interfaces and durability of advanced electrodes for energy (IT-SOFC and SOEC)The objective of this PhD thesis is to fabricate advanced oxygen electrode based on Ce0.9Gd0.1O1.95 (CGO) and La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ (LSCF) with graded and homogeneous composition onto yttria-stabilized zirconia (YSZ = 8 mol. % Y2O3-doped ZrO2) electrolyte using electrostatic spray deposition. A thin and dense layer of CGO was inserted between LSCF and YSZ to serve as a barrier diffusion layer. The novel microstructure with high porosity and large surface area is expected to improve the electrochemical performances. The electrical behavior of the electrode was investigated by impedance spectroscopy versus temperature in air. A detailed microstructural description was performed by 3D reconstructed model from FIB-SEM and X-ray nanotomography and related to electrical properties. The mechanical analysis was performed by scratch and ultramicroindentation tests. Finally, durability tests were performed on the electrode with 45 cm2 oxygen active area, up to 800 h at around 770°C, in full cell SOFC and SOEC configurations operating respectively in H2 and H2/ H2O mixture

Thin Layers of SrTiO3-TiO2 with Eutectic Composition for Photoelectrochemical Water Splitting

Hydrogen as a potential fuel of the future can be produced in a photoelectrochemial water splitting process. Herein, we demonstrate the fabrication of photoelectrochemical electrodes based on SrTiO3-TiO2 with a eutectic composition on titanium and conductive glass FTO (fluorine doped tin oxide) substrates by magnetron sputtering. The XRD and SEM/EDS reveal the amorphous nature and homogeneity of the sputtered material. The influence of the layer thickness on the photoactivity was investigated. There were three-layer thicknesses (50, 350, and 750 nm) selected by sputtering for 12, 80 and 220 min for the preparation of photoelectrodes. The photoelectrochemical analysis confirms the photoactivity of the obtained layers under illumination with a xenon lamp (600 mW/cm2). The highest photocurrent density of 11.8 × 10−3 mAcm−2 at 1.2 V vs. SCE was recorded for a layer thickness of 50 nm on titanium as better matching between the Ti work function and the conduction band

Interfaces et durabilité d'électrodes avancées pour l'énergie : IT-SOFC et SOEC

Interfaces and durability of advanced electrodes for energy (IT-SOFC and SOEC)The objective of this PhD thesis is to fabricate advanced oxygen electrode based on Ce0.9Gd0.1O1.95 (CGO) and La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ (LSCF) with graded and homogeneous composition onto yttria-stabilized zirconia (YSZ = 8 mol. % Y2O3-doped ZrO2) electrolyte using electrostatic spray deposition. A thin and dense layer of CGO was inserted between LSCF and YSZ to serve as a barrier diffusion layer. The novel microstructure with high porosity and large surface area is expected to improve the electrochemical performances. The electrical behavior of the electrode was investigated by impedance spectroscopy versus temperature in air. A detailed microstructural description was performed by 3D reconstructed model from FIB-SEM and X-ray nanotomography and related to electrical properties. The mechanical analysis was performed by scratch and ultramicroindentation tests. Finally, durability tests were performed on the electrode with 45 cm2 oxygen active area, up to 800 h at around 770°C, in full cell SOFC and SOEC configurations operating respectively in H2 and H2/ H2O mixture.Interfaces et durabilité des électrodes de pointe pour l'énergie (PAC et EHT)L'objectif de cette thèse concerne l'élaboration, par atomisation électrostatique, d'une électrode à oxygène à architecture innovante, basée sur un composite Ce0.9Gd0.1O1.95 (CGO) - La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ (LSCF) possédant un gradient de composition ou une composition homogène. Cette électrode a été déposée sur un substrat de zircone yttriée (YSZ = 8 % mol. Y2O3-ZrO2) sur laquelle, a été intercalée au préalable une couche barrière mince et dense de CGO. Cette électrode possède une microstructure innovante, à porosité élevée permettant d'obtenir une grande surface active qui devrait conduire à l'amélioration des performances électrochimiques. Le comportement électrique de l'électrode a été étudié par spectroscopie d'impédance en fonction de la température et sous air. Une description microstructurale détaillée a été effectuée à l'aide d'un modèle de reconstruction 3D obtenu par -MEB équipé d'une sonde ionique focalisée et par nanotomographie X. Ces propriétés microstructurales ont été reliées aux propriétés électriques. Les propriétés mécaniques et tribologiques de cette électrode composite ont été déterminées par des tests du scotch et ultra-microindentation. Finalement, des tests de durabilité ont été effectués sur une électrode de grande taille possédant une surface active de 45 cm2 jusqu'à 800 h à environ 770°C, dans une cellule complète de configurations PAC et fonctionnant respectivement sous H2 et un mélange H2/H2O

Three dimensional analysis of Ce0.9Gd0.1O1.95–La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3−δ oxygen electrode for solid oxide cells

International audienceNotwithstanding the importance of materials, microstructure also plays a significant role in performances of solid oxide cells. X-ray nanotomography with a voxel size of 25 nm was used to image the microstructure of CGO-LSCF composite oxygen electrode obtained by electrostatic spray deposition (ESD). The stack of data was used to create a 3D model. Two volumes were selected from the 3D model and microstructural parameters like porosity, surface area, percolation path and tortuosity factor were computed to quantify the microstructure. The influence of the applied threshold values on the parameters was investigated. Comparison of these parameters with previously reported data has shown significant differences. The porosity of CGO-LSCF oxygen electrode varied from 67 to 87 vol.%. Such a high porosity level makes this ESD microstructure unique. The microstructural parameters were used to determine the electrode polarization by Adler-Lane-Steele model. Modeled polarization resistance was in an agreement with experimental data. (C) 2015 Elsevier Ltd. All rights reserved