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Title
Herstellungsoptimierung und elektrochemische Charakterisierung von Sr-dotierten LaMnO3 Dünnschichtelektroden / von Sebastian Köck
AuthorKöck, Sebastian
CensorFleig, Jürgen ; Huber, Tobias
Published2012
Description97 Bl. : Ill., zahlr. graph. Darst.
Institutional NoteWien, Techn. Univ., Dipl.-Arb., 2012
Annotation
Zsfassung in engl. Sprache
LanguageGerman
Document typeThesis (Diplom)
Keywords (DE)LSM / Korund / Impedanzspektroskopie / Dünnfilm / Mikroelektroden / PLD
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-48461 Persistent Identifier (URN)
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Herstellungsoptimierung und elektrochemische Charakterisierung von Sr-dotierten LaMnO3 Dünnschichtelektroden [7.43 mb]
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Abstract (German)

Das Interesse an Festoxidbrennstoffzellen (SOFC), als Alternative zu umweltschädlicheren und zum Teil wenig effizienten Stromerzeugungssystemen, ist in den vergangenen Jahrzehnten stetig gewachsen. Sie bestechen durch ihre hocheffiziente Energieumwandlung und Leistungsdichten, sowie Flexibilität bei der Wahl des Brennstoffs bei Betriebstemperaturen von 800-1000 C. Negative Folgen dieses Temperaturbereichs sind erhöhte Materialbeanspruchung, sowie mögliche Nebenreaktionen und infolge dessen eine Verkürzung der Lebensdauer.

Einer der Hauptgründe dieser hohen Betriebstemperaturen ist deren Einfluss auf die Reaktionskinetik der Sauerstoffreduktion an den Kathodenmaterialen der SOFCs. Somit ist es eine der zentralen Herausforderungen Kathodenmaterialien zu finden, welche sowohl eine effiziente katalytische Reduktion von Sauerstoff als auch einen schnellen ionischen Transport der Sauerstoffionen zum Elektrolyt, bei erniedrigten Betriebstemperaturen gewährleisten. Das an dieser Stelle kommerziell sehr häufig eingesetzte Strontium dotierte Lanthanmanganoxid (LSM) zeichnet sich besonders durch seine stabile Funktionsweise über mehrere 1000 Arbeitsstunden hinweg aus. Der Mechanismus der Sauerstoffreduktion an LSM ist jedoch bei weitem noch nicht vollständig verstanden.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde versucht den ratenbestimmenden Schritt der Sauerstoffreduktionsreaktion an La1-xSrxMnO3+/-[delta] (LSM) zu identifizieren. Es wurden mit Pulsed Laser Deposition (PLD) LSM Dünnfilme (200 nm) auf Yttrium stabilisiertem Zirkoniumdioxid (YSZ) als Substrat abgeschieden. Diese wurden mit Photolithographie strukturiert um nach dem Ätzprozess dichte, geometrisch hochdefinierte LSM Dünnschichtelektroden erhalten. Der Einfluss des chemischen/Ionenstrahl Ätzens der Mikroelektroden auf die elektrochemischen Eigenschaften wurde mit elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS) charakterisiert. Dabei zeigten sich Unterschiede der gemessenen Impedanzen, vermutlich bedingt durch eine Veränderung der Randgeometrie der Elektroden durch das Ionenstrahl Ätzen. In weiterer Folge wurde zur Untersuchung der Beiträge von Elektrodenoberfläche und Dreiphasengrenze (3PG) zur Sauerstoffreduktionsreaktion die 3PG der Mikroelektroden mit Korund beschichtet um diese dadurch zu blockieren. Dazu wurde im Vorfeld versucht mit PLD unter zahlreicher Variation der Abscheidebedingungen, dichte Schichten herzustellen. Die Gasdichtheit wurde mit 18O Tracer/TOF-SIMS1 überprüft, vollständig dichte Schichten konnten nicht hergestellt werden. Die Korundschichten wurden durch PLD auf die LSM Elektroden aufgetragen. Nach der Mikrostrukturierung entstanden so an der 3PG mit Korund beschichtete Elektroden (Ø=350, 250, 150 m) mit freier LSM Fläche an der Oberseite (Ø=200, 100, 50 m). Die Messungen mit EIS am Mikromessstand zeigten größere Polarisationswiderstände der beschichteten Elektroden, vermutlich hervorgerufen durch eine Abkühlung der Elektrodenoberfläche durch die Korundbeschichtung. Die Messungen in einer allseitig beheizten Messanordnung zeigten kleinere Polarisationswiderstände der beschichteten Elektroden, wahrscheinlich bedingt durch größere Gesamtvolumina.

Abstract (English)

The interest in SOFCs (solid oxide fuel cells) as an alternative for more polluting and less efficient power sources has been rapidly growing during the last decades. Their main attributes are highly efficient energy transformation, high power density and also fuel flexibility with working temperatures from 800 to 1000 C. Negative consequences are decreased lifespan due to material wear and unwanted side reactions. One of the main reasons for the high operating temperatures is their influence on the oxygen reduction kinetics of cathode materials in SOFCs.

Thus it is one of the main goals to investigate cathode materials which provide efficient catalytic oxygen reduction and a fast ionic transport of oxygen ions to the electrolyte at intermediate temperatures. A material, partly exhibiting these properties is the commercially used strontium doped lanthanum manganese oxide (LSM), which provides stable working conditions over many thousands of operating hours. However, the mechanism of the oxygen reduction on LSM is not really well understood yet. This work tried to obtain novel information on the rate limiting step of the oxygen reduction on La1-xSrxMnO3+/-[delta] (LSM). LSM thin films (200 nm) were deposited on yttria stabilized zirconia (YSZ) as substrate by pulsed laser deposition (PLD). Those thin films were structured by photolithography which lead to dense highly defined micro-electrodes after etching. Influences of chemical and ion-beam etching were characterized by electrochemical impedance spectroscopy (EIS). The measured impedances showed differences, probably due to changes in geometry on the edge of the electrodes, caused by ion-beam etching. Furthermore, to investigate the contributions of the electrode surface and triple phase boundary (TPB) to oxygen reduction, the TPB was coated with aluminum oxide to block it. Therefore it was tried to fabricate dense aluminum oxide layers by PLD via extensive variations of the deposition parameters. Impermeability was tested by 18O Tracer/TOF-SIMS experiments, but could not be achieved totally. The aluminum oxide layers were deposited on the LSM electrodes by PLD. After a subsequent micro-structuring process, micro-electrodes with aluminum oxide sealed TPB (Ø=350, 250, 150 m) and free LSM areas at the surface (Ø=200, 100, 50 m) were obtained. The measurements with EIS on a set-up with microscope and heating table showed bigger polarization resistances of the sealed electrodes, presumably caused by a cooling of the electrode surface area by the aluminum sealing. Polarization resistances measured on a set-up with heating from all sides indicated smaller ones in case of the sealed electrodes, probably due to the bigger volumina itself.