Electrochemical properties of (Nd,Ca)(Fe,Co)O3 thin film electrodes and of porous GDC electrodes

Abstract

In order to sustain the current way of life and to counteract climate change, research on renewable and environmentally friendly ways to generate and store energy is crucial. Solid oxide fuel and electrolysis cells (SOFCs/SOECs) are a promising and efficient way to generate electricity from fuels and vice versa and are already in use for several applications. However, especially the state-of-the-art Ni-YSZ cermets for fuel electrodes suffer disadvantages in terms of carbon deposition and high degradation in electrolysis mode and new materials are therefore of high interest. In this work the electrochemical properties of gadolinium doped ceria (GDC) based porous electrodes and Nd0.6Ca0.4FeO3/Nd0.6Ca0.4Fe0.9Co0.1O3 (NCF/NCFC) thin-film perovskite electrodes were investigated via electrochemical impedance spectroscopy (EIS). Moreover, scanning electron microscopy (SEM) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) measurements were performed. The manufactured three-layer GDC electrodes show excellent kinetics with an area specific resistance (ASR) of 0.08 Ωcm2 at 600°C and < 0.02 Ωcm2 at 800°C in H2 atmosphere and an active film thickness below 3 μm. Above 700 °C the Arrhenius curve flattens because contributions of gas diffusion become the limiting factor. The particles of the porous GDC layer are found to be rather monodisperse and measure approximately 200 nm in diameter, providing a huge GDC surface area for the oxidation of H2. Due to the extraordinarily good performance these electrodes were used as counter electrodes for the measurements of the thin-film electrodes. On the NCF and NCFC thin-film electrodes EIS measurements in reducing and oxidizing atmospheres and with applied bias up to ±400 mV were conducted in different measurement setups to investigate ASR, chemical capacitance and potential exsolution behaviour. The NCFC electrodes exhibit a characteristic jump in the current density-overpotential graph, indicating the presence of exsolution of metal particles on the surface. This assumption is backed by SEM and XPS data and the exsolution already happens at OCV in H2 + H2O (25 mbar + 28 mbar) atmosphere. For the NCF electrodes no exsolutions can be observed, most likely due to less reducibility of Fe compared to Co. Furthermore, in-plane measurements on finger-structured microelectrodes are discussed with a focus on the ionic and electronic conductivity of the thin-films.

Um den derzeitigen Lebensstandard aufrechterhalten zu können und dem Klimawandel entgegenzuwirken, ist die Forschung an erneuerbaren, umweltfreundlichen Möglichkeiten Energie zu erzeugen und zu speichern unabdingbar. Festoxidbrennstoffzellen (SOFCs) sind eine solche Option Energie effizient zu speichern und werden bereits für diverse Anwendungen eingesetzt. Es gibt allerdings immer noch Probleme, oft aufgrund von Materialeigenschaften, welche den Einsatz einschränken. In dieser Arbeit werden die elektrochemischen Eigenschaften von Gd-dotierten CeO2 (GDC) basierten porösen Elektroden und Nd0.6Ca0.4FeO3/Nd0.6Ca0.4Fe0.9Co0.1O3 (NCF/NCFC) Dünnschichtelektroden mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie analysiert. Weiters wurden SEM und XPS Messungen durchgeführt. Die hergestellten Drei-Schicht-GDC-Elektroden zeigen eine außerordentlich gute Kinetik mit einem flächenbezogenem Polarisationswiderstand von 0.08 Ωcm2 bei 600°C und < 0.02 Ωcm2 bei 800°C in H2 Atmosphäre mit einer aktiven Schichtdicke von unter 3 μm. Im Arrhenius Diagramm ist über 700°C eine Abflachung der Kurve zu erkennen, was auf eine Limitierung durch Gasdiffusion zurückzuführen ist. Die Partikel der porösen GDC Schicht sind einigermaßen monodispers mit einer durchschnittlichen Größe von etwa 200 nm und stellen daher eine große Oberfläche für die Oxidation von H2 zur Verfügung. Diese GDC basierten Elektroden wurden aufgrund der exzellenten Eigenschaften als Gegenelektroden für die Messungen mit den Dünnschichtelektroden verwendet. An den NCF und NCFC Dünnschichtelektroden wurden Messungen in reduzierenden und oxidierenden Messatmosphären, sowie mit einer angelegten Spannung von bis zu ±400 mV in verschiedenen Messständen durchgeführt, um ASR, chemische Kapazität und das eventuelle Auftreten von Exsolutions zu untersuchen. Bei den NCFC Elektroden ist ein charakteristischer Sprung im Stromdichte-Überspannung-Diagramm erkennbar, welcher auf die Anwesenheit von Metallpartikeln an der Oberfläche hindeutet. Diese Annahme wird durch Daten von SEM und XPS Messungen unterstützt und es zeigt sich, dass sich die Metallpartikel bereits bei Leerlaufspannung in H2 + H2O (25 mbar + 28 mbar) Atmosphäre an der Oberfläche bilden. Bei den NCF-Elektroden kann kein solches Verhalten festgestellt werden, höchstwahrscheinlich aufgrund der schwereren Reduzierbarkeit von Fe im Vergleich zu Co. Weiters werden in-plane Messungen an Mikroelektroden mit Fingerstruktur im Bezug auf die ionische und elektronische Leitfähigkeit der Dünnschichten diskutiert.