Korrelation zwischen Mikrostruktur und elektrochemischen Eigenschaften von Dünnschicht-Metallelektroden auf YSZ
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Projekt „Korrelation zwischen Mikrostruktur und elektrochemischen Eigenschaften von Dünnschicht-Metallelektroden auf YSZ“ hatte vier wesentliche Ziele, die auch erreicht werden konnten. 1. Herstellung von Pt/YSZ-, Pd/YSZ- und Ag/YSZ-Elektroden mit verschiedenen Mikrostrukturen der Metallschichten: Durch den Einsatz von verschiedenen Beschichtungsmethoden (PLD, DC-Sputtern und HIPIMS), von verschiedenen Substratorientierungen und von verschiedenen Substrattemperaturen konnten von Platin (fast) einkristalline Schichten nur mit wenigen Zwillingskörnern oder nur mit Körnern mit Kleinwinkelkorngrenzen hergestellt werden, genauso wie polykristalline Pt-Schichten mit zahlreichen Zwillingskörnern oder mit allen Arten von Körnern. Durch PLD hergestellt Schichten zeigen dabei zahlreiche Droplets, die bei den Schichten, die durch die Sputtermethoden hergestellt wurden, nicht auftraten. Von Palladium und Silber konnten Schichten hergestellt werden, die ausschließlich zahlreiche Zwillingskörner enthielten oder ganz polykristallin waren. Durch Tempern ließen sich die Mikrostrukturen der Schichten noch mal verändern (u.a. durch Kornwachstum, Entnetzung, void-Bildung an der Metall/YSZ-Phasengrenze am Ort von Zwillingen oder anderen Korngrenzen). 2. Grundlagenforschung: In Polarisationmessungen konnte gezeigt werden, dass ein Sauerstoff-Ausbau nicht nur an den Dreiphasengrenzen, sondern auch an Korngrenzen erfolgt. Beim Sauerstoff-Ausbau an Zwillingen bilden sich zuerst Blasen, welche dann Aufplatzen. Die Blasenbildung startet wahrscheinlich an voids an der Metall/YSZ-Phasengrenze. An Körnern mit Kleinwinkelkorngrenzen bilden sich nur Blasen, die nicht aufplatzen. Andere Korngrenzen weiten sich beim Sauerstoffausbau. Im Falle von Palladium fördert der ausgebaute Sauerstoff die Oxidation. Beim Silber verstärkt der Sauerstoffausbau die Entnetzung. 3. Forschung zur Materialeffizienz: Platinfilme auf YSZ mit vielen Zwillingskörnern stellen eine besonders aktive Funktionsform des Platin in der elektrochemischen Zelle dar, die es erlauben sollte, Platin mit einer höheren Materialeffizienz einzusetzen. 4. Substitutstionsforschung: Für das kritische und teure Platin stellt Palladium aus mikrostruktureller Sicht in Metall/YSZ-Elektroden keinen geeigneten Substituenten dar, da es bei tieferen Temperaturen oxidiert [zwischen 300 °C ≤ T < 750 °C] bei höheren Temperaturen [T ≥ 750 °C] entnetzt. Silber wäre nur auf (111) orientiertem YSZ als Substituent geeignet, da es auf den anders orientierten Substraten zu stark entnetzt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- “Twins within Palladium and Platinum Films on YSZ – Location for Hole Formation during De-Wetting and Oxygen Exchange”, Solid State Ionics 227 (2012) 57–65
G. Beck and J. Janek
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.ssi.2012.08.010) - “Correlation between Microstructure and Oxygen Removal in Solid-Oxide-Fuel-Cell- Modelelectrodes Pt/YSZ and Pd/YSZ”, Ceramic Transactions 239 (Materials Challenges in Alternative and Renewable Energy II) (2013) 15-23
G.Beck
- “Microstructural changes due to anodic polarisation of palladium and silver films on YSZ”, Solid State Ionics 263 (2014) 80-86
G. Beck, C. Bachmann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.ssi.2014.05.006) - “Oxygen removal at grain boundaries in platinum films on YSZ”, Solid State Ionics 262 (2014) 508-511
G. Beck, C. Bachmann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.ssi.2014.01.033) - “Thermal stability of platinum, palladium and silver films on yttrium-stabilised zirconia”, Thin Solid Films 573 (2014) 164-175
G. Beck, C. Bachmann, R. Bretzler, R. Kmeth
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.tsf.2014.11.035) - “Epitaxial and non-epitaxial platinum, palladium and silver films on yttrium-stabilised zirconia”, Mater. Chem. Phys. (2015)
G. Beck, C. Bachmann, R. Bretzler, R. Kmeth
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2015.03.045)
