Egger, B. (2007). Material characterization with microelectrodes [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. http://hdl.handle.net/20.500.12708/178684
Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die vielfältigen Vorteile von Mikroelektroden bei der Materialcharakterisierung aufzuzeigen und zu nutzen. Einerseits werden Mikroelektroden für die Charakterisierung der lokalen Leitfähigkeit von Nafion® Membranen und andererseits für die Messung von korrosionsrelevanten Parametern bei Spaltkorrosion verwendet. Durch Messung der lokalen Leitfähigkeit mit Hilfe der Impedanzspektroskopie an Mikroelektroden lässt sich der Einfluss von verunreinigenden Kationen wie Cu2+[Cu hoch 2+], Fe3+[Fe hoch 3+], Na+[Na hoch +] und Ni2+[Ni hoch 2+] auf die Protonenleitfähigkeit untersuchen. Es zeigt sich, dass bei Konzentrationen von weniger als 10ppm die Leitfähigkeit gering von nicht verunreinigten Membranen abweicht. Konzentrationen von mehr als 10ppm resultieren hingegen in einem signifikanten Abfall der Leitfähigkeit. Die Untersuchungen im Rahmen dieser Arbeit zeigen die unterschiedlichen und mitunter starken Auswirkungen von Verunreinigungen in geringen Konzentrationen auf die Leitfähigkeit von Nafion® Membranen. Zur Messung einer Vielzahl von korrosionsrelevanten Parametern innerhalb eines mikrometerbreiten Spaltes wurde ein Ultramikroelektrodenarray entwickelt. Die im Rahmen dieser Arbeit gemessenen Parameter sind Leitfähigkeit, pH-Wert, Sauerstoffkonzentration und Chloridkonzentration. Die kontrollierte Steuerung der Messungen ermöglicht ein speziell dazu entwickeltes computergesteuertes Multikanalmesssystem für zwei, drei und vier Elektrodenanordnungen von bis zu 120 Einzelzellen. Das konstruierte Mikroelektrodenarray ermöglicht die ortsaufgelöste In-situ-Messung von für den Korrosionsvorgang entscheidenden Parametern, wobei seine Robustheit eine Anwendung in herkömmlichen Korrosionskammern erlaubt. Somit können mit Hilfe dieser Methode wichtige Parameter in einer realitätsnahen Testumgebung aufgezeichnet werden. Diese Arbeit zeigt die vielseitigen Vorteile der Verwendung von Mikroelektroden bei der Materialcharakterisierung. Für zwei unterschiedliche Aufgabenstellungen konnten mit Hilfe von ortsaufgelösten Messungen wichtige Parameter für die jeweilige Problemstellung bestimmt werden.
Within this work, microelectrodes serve as a multi-purpose tool for material characterization in two interesting fields of material science. In the first application, micro tip electrodes are used for investigating the influence of impurity cations on the protonic conductivity of Nafion® membranes. By using electrochemical impedance spectroscopy with microelectrodes, the local conductivity of Nafion® membranes, which had been exposed to part per million (ppm) concentrations of impurity cations, is evaluated. Inorganic impurity cations studied included Cu2+[Cu hoch 2+], Fe3+[Fe hoch 3+], Na+[Na hoch 3+] and Ni2+[Ni hoch 2+]. Below 10ppm cation impurity level, conductivity values vary little from values for the clean membrane. However, at 10ppm, a significant decrease in conductivity is observed. In the second application, microelectrodes are applied in the field of corrosion science. In order to develop a model for crevice corrosion a robust microelectrode array has been developed. Parameters like conductivity, pH, oxygen concentration, and chloride concentration are measured within a crevice. The microelectrode array consists of up to 120 micro cells arranged equidistantly in 5mm. This setup allows the in-situ detection of local solution parameters during a crevice corrosion process without any influence caused by electrode movement inside the gap. The corresponding control program is an in-house development. This work shows the advantages of using microelectrodes for material characterization. Microelectrodes are successfully used for determining essential parameters of the respective problem setting.
