Die Kinetik der [O tief 2]-Reduktion an mikrostrukturierten Platinschichten auf Yttrium-stabilisiertem [ZrO tief 2]

Abstract

Zsfassung in engl. SpracheBeim Betrieb von Hochtemperaturbrennstoffzellen kommt es durch Überspannungen zu erheblichen Verlusten, wobei die relativ schlechte Kinetik der elektrochemischen [O tief 2]-Reduktion als eine der Hauptursachen angesehen wird. Eine Klärung des entsprechenden Reaktionsmechanismus ist daher von großer Bedeutung. Poröse Elektroden - wie sie auch in realen Systemen eingesetzt werden - sind hierfür nur bedingt geeignet, da sie keine definierte Geometrie aufweisen.Mikrostrukturierte Dünnschichtelektroden dagegen ermöglichen vielfältige Aussagen zur Elektrodenkinetik.In dieser Arbeit werden Experimente zur [O tief 2]-Reduktionskinetik an Pt-Modellelektroden vorgestellt. Die Präparation von dichten Platinschichten auf Y-stabilisiertem [ZrO tief 2] (YSZ) erfolgte durch Magnetronsputtern auf 700°C heißes Substrat. Aus diesen Schichten wurden mittels Fotolithografie wohldefinerte Mikroelektroden mit verschiedener Form und Größe hergestellt und impedanzspektroskopisch im Temperaturbereich von 700 bis 900°C charakterisiert.Durch die Variation der Elektrodengeometrie konnte die Dreiphasengrenze - d.h. der Bereich Gasphase/Elektrode/YSZ - als der Ort des ratenbestimmenden Schrittes identifiziert werden. Messungen bei unterschiedlichen Temperaturen ermöglichten die Ermittlung der Aktivierungsenergie von 1.40eV dieses kinetisch langsamsten Teilprozesses.The actual performance of solid oxide fuel cells (SOFCs) is still unsatisfactory due to the high polarisation caused by relatively slow [O tief 2]-reduction kinetics. A clarification of the corresponding reaction-mechanism therefore stands in worldwide interest. Porous electrodes - as they are used in common SOFCs - suffer from the disadvantage of an ill-defined geometry. Microstructured thin-film-electrodes in contrast offer the possibility of manifold information in terms of electrode kinetics.In this work experiments on the [O tief 2]-reduction reaction on Pt-modelelectrodes will be presented. The preparation of dense platinum-films on yttria-stabilised zirconia (YSZ) was carried out by magnetron sputtering on 700°C hot substrate. From these layers well-defined microelectrodes of different shape and size were made by photolithography, which were characterised by impedance spectroscopy in a temperature range of 700 to 900°C.Through variation of the geometry of the microelectrodes the triple-phase-boundary (TPB) - i.e. the area gaseous phase/electrode/YSZ - could be identified as the site of the rate determining step.Measurements at different temperatures enabled the evaluation of 1.40eV being the activation energy of this kinetically slow-going step.14