High-temperature electrochemistry for the investigation of oxidation mechanisms and diffusion on metals

Abstract

Die Oxidation von Metallen bei erhöhter Temperatur ist ein entscheidender Faktor in verschiedenen industriellen Anwendungen, einschließlich Materialwissenschaften, Katalyse und Energieumwandlungstechnologien. Das Verständnis der Mechanismen und der Kinetik der Metalloxidation ist unerlässlich, um die Leistung und Langlebigkeit von Materialien in oxidativen Umgebungen zu verbessern. Diese Dissertation stellt neue Ansätze zur Untersuchung der Metalloxidation bei besonders hohen Temperaturen vor, durch Hochtemperatur-Zyklovoltammetrie (HT-CV), kombiniert mit elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS) und Raman-Spektroskopie. Traditionelle Studien zur Oxidation basieren meist auf analytischen Untersuchungen, welche erst nach der Oxidation durchgeführt werden, und sind daher in ihrer Fähigkeit eingeschränkt, Veränderungen der Materialeigenschaften in Echtzeit zu erfassen. Durch die Kopplung von HT-CV mit EIS ermöglicht diese Arbeit eine in situ Charakterisierung der elektrischen Eigenschaften von Metalloxid-Schichten, einschließlich der Defektdichte und des resistiven Verhaltens des Oxids während seiner Bildung. Darüber hinaus ermöglicht die Integration der Raman-Spektroskopie eine direkte chemisch-analytische Identifikation der verschiedenen Oxidarten, welche die Ergebnisse der elektrochemischen Messungen bestätigen. Die Anwendung einer hochtemperatur-chronoamperometrischen Methode erlaubt es, die Metall-Metall Diffusion in dünnen Schicht-Systemen zu untersuchen. Daraus können der Diffusionskoeffizient und die Aktivierungsenergie der Diffusion bestimmt werden. Die neu konzipierten experimentellen Aufbauten, die in dieser Dissertation beschrieben werden, einschließlich elektrochemischer Systeme und der Kopplung verschiedener Techniken, wurden entwickelt, um die Einschränkungen konventioneller Oxidationsstudien zu überwinden und Echtzeitdaten zu Oxidationskinetik, elektrischen Eigenschaften und chemischer Zusammensetzung bereitzustellen. Die Ergebnisse tragen erheblich zum Verständnis der Metalloxidation bei und heben den Einfluss der Defektstruktur der Oxide hervor. Diese Arbeit zeigt das Potenzial der Kombination elektrochemischer Techniken mit fortschrittlichen elektrischen und analytischen Methoden, um die Metalloxidationsprozesse zu verstehen und durch das gewonnene Wissen, die Leistung und Haltbarkeit von Metallen und Metallsystemen in oxidativen Umgebungen bei erhöhten Temperaturen zu verbessern. Sie eröffnet neue Perspektiven für zukünftige Forschungen in der Materialwissenschaft und Elektrochemie.

The oxidation of metals at elevated temperatures is a critical factor in various industrial applications, including materials science, catalysis, and energy conversion technologies. Understanding the mechanisms and kinetics of metal oxidation is essential for optimizing the performance and longevity of materials exposed to oxidative environments. This thesis presents novel approaches to studying metal oxidation at particularly elevated temperatures, by high-temperature cyclic voltammetry (HT-CV), integrated with electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and Raman spectroscopy. Traditional oxidation studies often rely on post-experiment analysis and are therefore limited in their ability to capture real-time changes in material properties. By coupling HT-CV with EIS, this work enables in situ characterization of the electrical properties of metal oxide layers, including the defect density and the resistive behaviors of the oxide during its formation. Furthermore, the integration of Raman spectroscopy enables direct chemical-analytical identification of the different oxide species suggested by the electrochemical measurements. The application of a high-temperature chronoamperometric method allows for the investigation of metal-metal diffusion in thin metal layered systems. From this, the apparent diffusion coefficient and the activation energy of diffusion can be determined.The novel designed experimental setups described in this thesis, including high-temperature electrochemical systems and the coupling of various techniques, are designed to overcome the limitations of conventional oxidation studies and provide real-time data on oxidation kinetics, electrical properties, and chemical composition. The findings contribute significantly to the understanding of metal oxidation, highlighting the influence of the oxides defect structure. This work demonstrates the potential of combining electrochemical techniques with advanced electrical and analytical methods to understand the metal oxidation processes and therefore improve performance and durability of metals in oxidative environments at elevated temperatures. It opens new avenues for future research in materials science and electrochemistry.