Elektrochemische Eigenschaften von (La,Sr)(Cr,Mn)O3-d Dünnschichtelektroden

Abstract

Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersDer Wechsel von Kathoden in Festoxidbrennstoffzellen (SOFC) mit Oberflächenpfadkinetik zu gemischt leitenden Kathoden mit Volumenspfad war eine der wichtigsten Errungenschaften innerhalb des letzten Jahrzehnts in der Festoxidbrennstoffzellenforschung. Auch im Fall der Anoden wird mit dem Übergang zu gemischt leitenden Systemen eine weitere Erhöhung der Leistung der Festoxidbrennstoffzellen erwartet. Ein vielversprechendes Material für diese Anwendung ist (La,Sr)(Cr,Mn)O3-d (LSCrM), das die Möglichkeit bietet, die elektronischen Eigenschaften auf zwei Arten zu verändern: die Sr-Dotierung am A-Platz, das Cr:Mn Verhältnis am B-Platz In dieser Arbeit wurden LSCrM Dünnschichten mit sowohl variierendem Sr Gehalt als auch mit variierendem Cr:Mn Verhältnis mittels gepulster Laserabscheidung (pulsed laser deposition, PLD) hergestellt. Leitfähigkeitsmessungen an diesen Schichten wurden in 1% O2, 100 % O2 und H2/H2O (1:1) Atmosphären mittels Van-der-Pauw Methode durchgeführt. Die erhaltenen Leitfähigkeitsmessdaten werden im Zusammenhang mit der Defektchemie des Material diskutiert. Niedrige Mn Konzentrationen führen beispielsweise zu einer drastischen Verringerung der Leifähigkeit, höchstwahrscheinlich durch Trapping der Ladungsträger (Elektronenlöcher) auf den Mn Plätzen. Mit höheren Mn Konzentrationen kommt es zur Perkolation der Mn Trap-Niveaus und weitaus höhere Leitfähigkeiten können erreicht werden. Die Aktivierungsenergie für die Leitfähigkeit jedes einzelnen Materials wird mit Hilfe von Arrhenius-Diagrammen bestimmt und im Zusammenhang mit der zugehörigen Leitfähigkeit diskutiert. Dabei wurde ein Zusammenhang zwischen Leitfähigkeit und Aktivierungsenergie erkannt, wobei höhere Aktivierungsenergien im Fall von niedrigeren Leitfähigkeiten zu finden waren. Weiters blieben die hergestellten Proben während der gesamten Messzeit sowohl unter oxidierenden als auch unter reduzierenden Bedingungen stabil. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde von ausgewählten Zusammensetzungen auch die elektrochemische Aktivität für die H2-Oxidation untersucht. Diese Experimente wurden an Dünnschicht-Modellelektroden auf Yttriumoxid stabilisierten Zirkoniumdioxid-Elektrolyten in H2/H2O Atmosphäre durchgeführt, wobei eine poröse Ni/YSZ Gegenelektrode verwendet wurde. Das elektrochemische Verhalten wurde mittels Impedanzspektroskopie charakterisiert und die grundlegenden Eigenschaften wie Elektrodenpolarisationswiderstand werden im Zusammenhang mit der Leitfähigkeit des Materials diskutiert. Der Elektrodenwiderstand hängt dabei nur schwach von der Gesamtleitfähigkeit ab, allerdings wurde ein niedriger Widerstand für La0.9Sr0.1Cr0.2Mn0.8O3-d beobachtet, was durch eine Abhängigkeit des Elektrodenpolarisationswiderstandes vom Mn Gehalt erklärt werden konnte.The change from solid oxide fuel cell (SOFC) cathodes with surface path kinetics to mixed conducting cathodes exhibiting a bulk path was one of the most important achievements within the last decade of SOFC research. Also in case of anodes the transition to mixed conducting systems is expected to further increase the performance of SOFCs. A promising material for this application is (La,Sr)(Cr,Mn)O3-d (LSCrM), which provides the opportunity of two possible ways of changing its electronic properties: the Sr-doping on the A-site, the Cr:Mn ratio on the B-site. In this study, LSCrM thin films with both varying Sr content and Cr:Mn ratio were prepared by pulsed laser deposition (PLD). Conductivity measurements on these thin films were carried out in 1 % O2, 100 % O2 as well as H2/H2O (1:1) atmospheres using the Van-der-Pauw-method. The obtained conductivity data are discussed in terms of the material-s defect chemistry. Low Mn contents, for example, decrease the conductivity drastically, most likely due to trapping of charge carriers (electron holes) on the Mn sites. With higher Mn contents, site percolation occurs and much higher conductivities can be obtained. The activation energies for each material-s conductivity are calculated from Arrhenius plots and are discussed referring to the corresponding conductivity. A connection between conductivity and activation energy was found. Higher activation energies correspond to lower conductivities at the probed temperatures. Furthermore, the prepared samples demonstrated stability during the time of the measurement under oxidizing as well as reducing conditions. In the second part of the study selected compositions were also investigated as model-type thin film electrodes on yttria stabilized zirconia (YSZ) electrolytes in H2/H2O atmosphere, using a porous Ni/YSZ counter electrode. Electrochemical behavior was characterized by means of impedance measurements and elementary properties such as electrode polarization resistance are discussed referring to the material-s conductivity. The polarization resistance in humid H2 is less dependent on the total conductivity, however, a rather low resistance was observed for La0.9Sr0.1Cr0.2Mn0.8O3-d electrodes. Therefore, the Mn concentration appears to affect the polarization resistance to a higher extent.12