Incorporation of protons into La0.6Sr0.4FeO3-δ

Abstract

Im Hinblick auf die zunehmenden Auswirkungen von Treibhausgasen auf das Weltklima wird es immer wichtiger, den Umstieg auf eine nachhaltige Energiewirtschaft zu betreiben. Festoxidbrennstoff- und Festoxidelektroysezellen (SOFC/SOEC) sind vielversprechende Kandidaten, Eckpfeiler einer solchen zu werden und speziell Lösungen für das Problem der Energiespeicherung zu bieten. In der Entwicklung von SOFCs wird derzeit daran gearbeitet die Arbeitstemperatur der Zellen zu senken, wodurch protonenleitende SOFCs vermehrt in den Fokus gerückt sind. Im Zuge dessen wird nach passenden Kathodenmaterialien für diese gesucht. In dieser Arbeit wurde die Protonenaufnahmefähigkeit von (La0.6Sr0.4)FeO3 (LSF64) in oxidierenden Bedingungen untersucht. Hierfür wurden LSF64-Dünnschichten durch gepulste Laserdeposition (PLD) auf MgO-Substrate abgeschieden und deren Leitfähigkeit mittels der Van-der-Pauw Messmethode untersucht. Dabei konnten die Effekte von verschiedenen Feuchtigkeitsgraden auf die Leitfähigkeit in-situ gemessen werden. Bei Temperaturzyklen zeigte die Leitfähigkeit eine Hysterese, die wahrscheinlich durch Restfeuchte hervorgerufen wurde. Bei trocken-feucht Gaswechseln wurden direkte Änderungen der Leitfähigkeit festgestellt, wobei zwei Prozesse mit unterschiedlichen Zeitkonstanten beobachtet wurden. LSF64-Pulver wurde in jeweils trockenen oder feuchten Atmosphären vorbehandelt und mittels thermogravimetrischer Analyse (TGA) untersucht. Hierbei zeigten die zuvor hydroxylierten Proben deutlich höhere Massenverluste. Für Messungen mittels temperaturprogrammierter Desorption (TPD) wurde eine Versuchsanordnung entworfen, welche es ermöglichte Dünnschichten innerhalb der Messapparatur zu oxidieren. Dadurch konnten oxidierte und reduzierte Proben gemessen werden. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass Feuchtigkeit signifikante Effekte auf LSF64 hat, was wahrscheinlich auf Bildung von OH--Ionen im gesamten Volumen (Hydroxylierung) zurückzuführen ist.

Facing increasing effects of greenhouse gases on world's climate, a turnaround towards sustainable energy management is crucial. Solid oxide fuel cells (SOFC) and solid oxide electrolysis cells (SOEC) are promising candidates to pose keystones in this process, especially to tackle the problem of storing renewable energy. In recent development the trend goes towards lowering operating temperatures of SOFCs. In this context proton conducting SOFCs are given wider attention and mixed ionic and electronic conductors (MIEC) as cathode materials for these cells are being looked for. In this work the proton uptake of (La0.6Sr0.4)FeO3 (LSF64) in oxidising conditions was investigated. Thin films of LSF64 were deposited on MgO substrates via pulsed laser deposition (PLD) and their conductivity measured using the Van-der-Pauw-method. Thus, effects of different grades of humidity on the conductivity could be analysed in-situ. Temperature cycles in synthetic air showed a hysteresis of the conductivity, probably due to residual moisture. In dry-humid gas cycles the conductivity showed immediate responses to humidity changes and two different processes with distinct time constants were observed. LSF64 powder was used to perform thermogravimetric analyses (TGA) of samples pre-treated in dry and humid atmospheres, respectively. The previously hydroxylated samples showed significantly more mass loss than those exclusively exposed to dry atmospheres. For measurements using temperature programmed desorption (TPD) a setup was elaborated which allowed to oxidise thin films inside the device and measurements of oxidised and reduced samples could be performed. Overall, it could be shown that humidity has a significant impact on LSF64, likely due to hydroxylation, i.e. formation of OH- ions in the bulk.