Elektrochemische Eigenschaften von Fe-dotiertem SrTiO3 Modellanoden für Festoxidzellen

Abstract

Neue Arten der Energiespeicherung treten immer mehr ins Augenmerk der Forschung. Elektrochemische Zellen bieten eine moderne und vielversprechende Art der Umwandlung von elektrischer Energie in eine speicherbare Form. Vor allem Festoxidelektrolysezellen bzw. das Gegenstück die Festoxidbrennstoffzellen (SOFC) sind in Hinblick auf den Wirkungsgrad sehr effizient, da sie bei hohen Temperaturen arbeiten. Aus diesem Grund sind auch hohe Ansprüche an die einzelnen Materialien einer SOFC gestellt, da sie eine entsprechende thermische und chemische Stabilität aufweisen müssen. Keramische Mischleiter, welche sowohl ionische, als auch elektronische Leitfähigkeit aufweisen, sind ideale Elektroden für eine SOFC. Fe-dotiertes SrTiO3 ist ein solches Material, welches schon lange bekannt ist, häufig untersucht wurde und oft als Modelelektrode für SOFCs diente. Vor allem als Kathodenmaterial in SOFCs wird es eingesetzt, da es in Sauerstoffatmosphäre stabil ist und gute Leitfähigkeiten aufweist. Das Material ist aber auch in reduzierender Atmosphäre stabil. Daher ist ein Einsatz als Anodenmaterial auch denkbar und zum Teil auch schon untersucht worden. Entscheidend dafür sind eine gute elektronische und ionische Leitfähigkeit, sowie eine katalytische Aktivität für die Oberflächenreaktionen zur Verbesserung der Kinetik. Im SrTiO3 werden alle diese Eigenschaften durch die Eisendotierung hervorgerufen. Die primäre Fragestellung dieser Diplomarbeit lautete, wie der Eisengehalt in SrTiO3 die Eigenschaften beim Einsatz als SOFC Anodenmaterialien beeinflusst. Dazu wurden SrTi0.3Fe0.7O3-- und SrTi0.7Fe0.3O3-- Dünnfilme mittels Pulsed Laser Deposition auf einkristallinen Y-dotiertem ZrO2 und MgO Substraten abgeschieden und mittels Lithographie zu Mikro- und Makroelektroden geformt. Aufgrund einer speziellen Stromsammlergeometrie an den Mikroelektroden konnten mittels Impedanzspektroskopie die elektronische und ionische Leitfähigkeit bestimmt werden, sowie die Widerstände der Oberflächenreaktionen und die chemische Kapazität. Impedanzmessungen von Mikroelektroden auf MgO Substraten und Van der Pauw Messungen wurden durchgeführt als Referenzmessung für die elektronische und ionische Leitfähigkeit. Makroelektrodenmessungen dienten zur zusätzlichen Bestimmung der Oberflächenwiderstände. Es zeigte sich, dass die meisten Eigenschaften durch einen hohen Eisengehalt verbessert wurden.

More and more new possibilities for energy storage are in focus of science. Electrochemical cells are a modern and promising way for the conversion of electric energy in a storable form. Especially solid oxide electrolysis cells (SOEC) or their counterpart solid oxide fuel cells (SOFC) have a high efficiency, because of their high working temperature. Therefore there are high standards for all SOFC materials, because of the needed thermal and chemical stability. Ceramic mixed ionic electronic conductors (MIEC) are ideal electrodes for SOE/FCs. Fe-doped SrTiO3 is such a material, which is long known, well studied and often used as a model electrode for SOE/FCs. It is used especially as a cathode material in SOE/FCs, because of its high stability in oxygen atmosphere and good conductivity, but this material is also stable in reducing atmosphere. Therefore a use as fuel cell anode material is also possible. Important for the use as electrode material is good electronic and ionic conductivity, as well as catalytic activity for the surface reactions to improve the overall kinetics. In SrTiO3 all of these characteristics are caused by iron doping. The leading question of this master thesis is, how far the iron content in SrTiO3 affects the properties in SOE/FCs. Therefore SrTi0.3Fe0.7O3-- and SrTi0.7Fe0.3O3-- thin films were prepared with pulsed laser deposition on single crystal Y-doped ZrO2 and MgO substrates and with lithographic methods micro- and macroelectrodes were produced on them. Because of special current collector geometries under the microelectrodes it was possible to evaluate the electronic and ionic conductivity with impedance spectroscopy, as well as the surface resistance and chemical capacitance. Micromeasurements on MgO substrate and Van der Pauw measurements were used to verify the electronic and ionic conductivity. Measurements of macroelectrodes reproduced the results for the surface resistance. It could be shown that most properties are improved by a high iron content.