Impedance spectroscopic characterization of ceria based anodes for solid oxide fuel cells

Abstract

In materials research ceria is a highly interesting material owing to its attractive catalytic surface activity and it was thus intensively investigated within the last decade. This high catalytic activity was recently demonstrated to be also very beneficial for the electrochemical H2 oxidation on Sm doped CeO2 electrodes with noble metal current collectors. For further improvement and understanding, analysis of the effect of (co-)doping on transport and surface kinetics is helpful for the developement of ceria-based solid oxide fuel cell (SOFC) anodes. In the present study, model-type thin films of Gd doped and Gd/Mn co-doped ceria were investigated by means of impedance spectroscopy in humid H2 atmosphere. A novel measurement technique for microelectrodes with interdigitating Pt current collectors was employed. This method allows a separation of the different elementary processes contributing to the electrode impedance. After annealing at 650 °C in humid H2 atmosphere, there is no significant difference in the electronic resistivity between the two materials. In terms of surface exchange rate, however, the Gd/Mn co-doped ceria shows the higher catalytic activity. In addition 18O tracer incorporation into Gd-doped ceria electrodes from a H2/H2O atmosphere was performed with and without cathodic polarization. The tracer distribution within the ceria thin film was subsequently analyzed by secondary ion mass spectrometry (SIMS) and correlated with the electrochemical results.

Die hohe Oberflächenaktivität macht Ceroxid zu einem sehr interessanten Material in der Materialforschung und ist auch die Basis vieler aktueller und zukünftiger Anwendungen. Aus diesem Grund wird es von zahlreichen Forschungsgruppen intensiv untersucht. Ein wesentlicher Punkt hierbei ist die Frage der Dotierung. Zum Beispiel wurden Sm dotierte Elektroden untersucht und erwiesen sich als aktiv für die H2-Oxidation (Anodenreaktion in Festoxidbrennstoffzellen, SOFCs). Für die weitere Entwicklung von Ceroxid-basierten Anodenmaterialien für SOFCs spielt die Analyse der Eigenschaften bei (Co-)Dotierung eine entscheidende Rolle. In dieser Arbeit wurden Dünnschichtelektroden aus Gd dotiertem und Gd/Mn co-dotiertem Ceroxid mittels Impedanzspektroskopie in reduzierender Atmosphäre untersucht. Eine neue Messtechnik für Mikroelektroden mit Pt-Stromsammlern wurde eingesetzt, welche die Trennung der unterschiedlichen Elementarprozesse, die zum Impedanzspektrum beitragen, ermöglicht. Mit dieser Messmethode wurde nach Aufheizen bis 650 °C in befeuchteter H2 Atmosphäre in der elektronischen Leitfähigkeit kein signifikanter Unterschied gefunden, während bezüglich der Oberflächenaktivität das Gd/Mn co-dotiertes Material besser zu sein scheint. Zusätzlich wurden auch Tracer-Experimente durchgeführt, mit denen der Einbau von 18O aus einer H2/ H2O-Atmosphäre untersucht wurde, entweder ohne oder mit kathodischer Polarisation der Elektrode. Nach dem Experiment wurde die 18O-Verteilung mit Hilfe eines Flugzeit-Sekundärionenmassenspektrometers gemessen und die Ergebnisse wurden mit denen aus den elektrochemischen Messungen verglichen.