Electrochemical properties of La 0.6 Sr 0.4 FeO 3-δ upon polarization

Abstract

Das Oxid La0.6Sr0.4FeO3-x (LSF), aus der Klasse der Perowskite, ist ein gemischt ionischer und elektronischer Leiter. Seine hohe ionische Leitfähigkeit, die akzeptable katalytische Aktivität für die Sauerstoff Austauschreaktion sowie seine chemische Stabilität innerhalb eines weiten Bereichs an Sauerstoffpartialdrücken machen es zu einem attraktiven Elektrodenmaterial in Festoxidbrennstoffzellen und Festoxidelektrolysezellen. In dieser Arbeit wurden wohldefinierte Dünnfilmelektroden mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie in verschiedenen Atmosphären und unter variierenden Polarisationen charakterisiert. Dies ermöglichte eine Untersuchung der Einflüsse des chemischen Potentials von Sauerstoff in der Atmosphäre sowie des elektrischen Potentials der Elektrode auf die Ladungsträgerkonzentrationen (Defektchemie) und die Sauerstoffaustauschkinetik. Es konnte gezeigt werden, dass die chemische Kapazität (ein Maß für die Ladungsträgerkonzentration), ausschließlich vom Sauerstoffpotential in der Elektrode bestimmt wird, unabhängig dessen Ursprungs (entweder durch atmosphärischen Sauerstoffpartialdruck oder durch an die Elektrode angelegte Spannung). Ein Vergleich mit Berechnungen basierend auf defektchemischen Bulk Daten ergab eine qualitative Übereinstimmung zwischen gemessenen und berechneten chemischen Kapazitäten in einem weiten Bereich von Sauerstoffpartialdrücken. Die chemische Kapazität der Dünnfilme war jedoch niedriger als aufgrund der Bulk Daten vermutet. Mittels Impedanzspektroskopie an Proben mit drei Elektroden Geometrie in verschiedenen oxidierenden Atmosphären konnten die verschiedenen Auswirkungen von Atmosphäre und Polarisation auf die Sauerstoffeinbaureaktion und die Sauerstoffausbaureaktion untersucht werden. Während die Sauerstoffeinbaureaktion eine starke Abhängigkeit von der Atmosphäre bei gleichem Elektrodenpotential zeigte, konnte gezeigt werden, dass die Sauerstoffausbaureaktion nur geringfügig von der Atmosphäre, jedoch stark vom chemischen Potential von Sauerstoff in der Elektrode abhängt.

The perovskite-type oxide La0.6Sr0.4FeO3-x (LSF) is a mixed ionic and electronic conductor. Its high ionic and electronic conductivity, acceptable catalytic activity for the oxygen exchange reaction along with its chemical stability over a wide range of oxygen partial pressures make it an attractive electrode material for solid oxide fuel cells and solid oxide electrolysis cells. In this study electrochemical impedance spectroscopy was used to characterize well defined thin film LSF electrodes in different atmospheres and at varying bias voltages. This allowed to study the effects of chemical potential of oxygen in the atmosphere and electrical potential of the electrode on charge carrier concentrations (defect chemistry) and oxygen exchange kinetics. It could be shown, that the chemical capacitance (as a measure of the charge carrier concentration in the material) solely depends on the potential of oxygen within the electrode, independent of its origin (either by atmospheric oxygen partial pressure or applied electrode potential). Comparison with calculations based on defect chemical bulk data exhibited qualitative agreement between calculated and measured chemical capacitance over a wide range of oxygen partial pressure. However, the chemical capacitance of the thin films was shown to be lower than expected from bulk data. Impedance spectroscopy on samples with three electrode geometry in different oxidizing atmospheres revealed different impacts of atmosphere and polarization on oxygen incorporation and oxygen release reaction. While the oxygen incorporation reaction exhibits strong dependance on the atmosphere at equal electrode potential, the oxygen release reaction was shown to be less dependent on the atmosphere but strongly affected by the chemical potential of oxygen within the electrode.