In situ-mikrospektroskopische Untersuchungen an Pt/YSZ-Elektroden

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird das Polarisationsverhalten der DreiphasengrenzeGas/Festelektrolyt/Metallelektrode am Beispiel der elektrochemischenKette Pt/YSZ/Pt mit Hilfe in situ-mikrospektroskopischer Methoden (PEEM,SPEM) untersucht. Drei unterschiedlich präparierte Pt/YSZ-Proben (YSZ =mit Yttrium(III)-oxid stabilisiertes Zirconium(IV)-oxid) werden verwendet:poröse (gesinterte) Platinpaste auf polykristallinem YSZ, mikrostrukturiertesPlatin auf einkristallinem YSZ und mittels gepulster Laserdeposition(PLD) aufgebrachtes orientiertes Platin (um 30 Grad verkippte (111)-Orientierung)auf orientiertem YSZ(111). Die elektrochemische Charakterisierung erfolgtdurch Zyklovoltammetrie. Die Photoelektronen-Emissionsmikroskopie (PEEM)erlaubt im Fall der dichten mittels PLD aufgebrachten Elektroden die Beobachtungder diffusiven Verteilung von elektrochemisch gebildetem Sauerstoffauf der Elektrodenoberfläche, wenn diese anodisch polarisiert wird. Bei denim Mikro- und Nanometerbereich porösen Elektroden reichen Zeit- undOrtsauflösung hierzu nicht aus. Die chemische Identifizierung mittels Raster-Photoelektronenspektroskopie (SPEM) zeigt die Bildung von chemisorbiertemSauerstoff (Bindungsenergie 530,4 eV). Zusätzlich kann die Dreiphasengrenzedurch Abbildung einer Oberflächenreaktion als Ort des Sauerstoffausbausnachgewiesen werden. Bei kathodischer Polarisation zeigen sich im PEEM helleZonen, die von der Dreiphasengrenze ausgehend den Festelektrolyten bedecken.XPS-Spektren zeigen die Bildung reduzierter Zr-Spezies (bei polykristallinemYSZ: Zr0, bei einkristallinem YSZ: Zr1+). The behaviour of different types of platinum electrodes deposited on the solidelectrolyte YSZ (yttria stabilized zirconia) under anodic and cathodic polarizationis investigated using in situ-microspectroscopic methods (PEEM, SPEM).Three different types of electrodes are used: porous platinum paste (sintered) onpolycrystalline YSZ, microstructured platinum on single crystalline YSZ, and orientatedplatinum (film prepared by pulsed laser deposition) on YSZ(111). Thesamples are characterized by cyclovoltammetry. In the case of dense platinumelectrodes, photoelectron emission microscopy (PEEM) allows the observationof diffusion fronts of electrochemically generated oxygen starting from the threephase boundary. On porous electrodes, the observation is not possible due toresolution restrictions. This spillover oxygen is characterized by scanning photoelectronmicroscopy (SPEM) as chemisorbed oxygen (binding energy 530,4 eV).Additionally, the oxygen evolution at the three phase boundary can be imagedduring the surface oxidation of carbon. During cathodic polarization bright zoneson the solid electrolyte appear in PEEM starting from the three phase boundary.XPS spectra show the formation of reduced Zr species (Zr0 on polycrystallineYSZ, Zr1+ single on crystalline YSZ).