Für einen Elektrochemischen Membranreaktor, in dem die partielle Oxidation von Ethan untersucht werden wird, sollten die aus dem SOFC-Bereich bekannten Anodenmaterialien mit den für die Ethanoxidation in der Literatur beschriebenen Modellkatalysatoren, wie zum Beispiel Palladium oder Vanadiumoxid eingesetzt bzw. kombiniert werden und deren Leitfähigkeits- bzw. Widerstandsverhalten unter Einsatz der Elektrischen Impedanzspektroskopie charakterisiert werden.
Hierzu wurden zunächst unterschiedliche Edelmetalle als Elektrodenmaterial für YSZ-Membranen ausgewählt. Als Kathodenmaterial wurde Platin eingesetzt. Als Elektroden bzw. Katalysatoren für den Anodenbereich wurden Gold, Palladium, eine Mischung aus Gold & Palladium sowie Ammoniumvanadat verwendet.
Die Präparation der Elektroden erfolgte über ein manuelles Paintingverfahren. Für die Impedanzmessungen erfolgte die Kontaktierung der Elektroden mit Platinnetz im Kathodenbereich und Goldnetz im Anodenbereich. Als elektrische Ableitungen wurden die Netze mit Drähte des jeweils identischen Materials im Punktscheißverfahren verbunden.
Die Charakterisierung der elektrischen Eigenschaften der so präparierten YSZ–Membranen erfolgte durch die Elektrochemische Impedanzspektroskopie in einem Temperaturbereich von 600 - 900 °C. Hierfür stand ein Hochtemperaturofen sowie ein Potentiostat zur Verfügung. Ziel war es, die präparierten das elektrische Verhalten der YSZ-Membranen in dem vorgegebenen Temperaturbereich in Abhängigkeit von der Temperatur zu untersuchen. Die Ergebnisse wurden in Form von Bode- und Nyquist-Plots erhalten. Es wurde deutlich, dass mit steigender Temperatur eine Abnahme des Gesamtwiderstandes einherging. Dies wurde bei allen Materialkonfigurationen beobachtet. Unterschiede waren indess bei der Ausprägung einzelner Teilwiderstände zu beobachten. Überdies konnte im Rahmen dieser Arbeit auch die kathodische und anodische Oberflächenstruktur mittels Rasterelektronenmikroskopie aufgeklärt werden.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Theoretische Grundlagen
2.1 Sauerstoffionenleitfähigkeit keramischer Membranen
2.1.1 Allgemeines zur Sauerstoffionenleitfähigkeit
2.1.2 Prinzip der Sauerstoffionenleitung
2.2 Zur Elektrochemie von Festkörpern
2.2.1 Defektchemie in Festkörpern
2.2.2 Leitfähigkeit und Defektchemie in Festkörpern am Beispiel von YSZ
2.3 Elektrische Impedanzspektroskopie (EIS)
2.3.1 Messprinzip
2.3.2 Graphische Auswertung der Impedanzspektren
2.3.3 Ersatzschaltbilder zur Auswertung der Impedanzspektren
3 Experimentelle Grundlagen
3.1 Berechnung der elektrischen Leitfähigkeit
3.2 Präparation der YSZ-Membranen
3.2.1 Präparation der Kathode
3.2.2 Präparation der Anode
3.3 Aufbau der Messanordnung
3.3.1 Messgenauigkeit
3.3.2 Fehlereinflüsse
4 Ergebnisse und Diskussion
4.1 Impedanzspektren und Ersatzschaltbilder
4.1.1 Materialkonfiguration Pt|8YSZ|Au
4.1.2 Materialkonfiguration Pt|8YSZ|(Au+Pd)
4.1.3 Materialkonfiguration Pt|8YSZ|(Au+ Pd/Au)
4.1.4 Materialkonfiguration Pt|8YSZ|(Au+VOx)
4.2 Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeiten
5 Zusammenfassung und Schlussfolgerung
6 Anhang
6.1 Verwendete Geräte und Chemikalien
6.2 Berechnungen der Gesamtleitfähigkeiten für die unterschiedlichen Materialkonfigurationen
Zielsetzung & Themen
Ziel der Arbeit ist die Charakterisierung der Temperaturabhängigkeit der Gesamtleitfähigkeit von yttriumstabilisiertem Zirkondioxid (YSZ) unter Variation verschiedener Anodenbeschichtungen (Au, Pd, VOx), um das elektrochemische Verhalten im Rahmen eines Membranreaktors zu optimieren.
- Präparation und Charakterisierung von Anoden auf YSZ-Membranen
- Einsatz der Elektrischen Impedanzspektroskopie (EIS) zur Leitfähigkeitsbestimmung
- Modellierung elektrischer Ersatzschaltbilder zur Interpretation von Grenzflächenprozessen
- Untersuchung der Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit zwischen 600 °C und 900 °C
- Rasterelektronenmikroskopische Aufklärung der Oberflächenstruktur
Auszug aus dem Buch
3.2.1 Präparation der Kathode
Die Präparation der Kathodenseite erfolgte mit einer bereitgestellten Platinlösung, die aus Mikropartikeln des Elements, einem Bindemittel und des Lösungsmittels Aceton bestand. Der Gehalt an Platin betrug 0,324 g/ml in der Stammlösung. Durch Verdünnung (Verdünnung 1:2 mit Aceton) wurde eine Platinlösung von 0,162 g/ml erhalten. Von dieser Lösung wurden jeweils drei Schichten auf die Elektrodenseite bestehend aus je 10 µl Platinlösung mit einer Pipette aufgetragen und im Muffelofen calziniert. Nach Auftragen von 3 Schichten befanden sich 4,86 mg Platin auf der Kathodenseite jeder Membran. Die Membranoberfläche betrug 2,04 cm2. Das entspricht insgesamt einer Platinbelegung von 2,38 mg/cm2.
Der Widerstand des im vorherigen Kapitel beschriebenen Kapitels RC-Modells auch als Porenwiderstand bezeichnet. Grundlage für diese Interpretation ist das so genannte Porenmodell. Dabei geht man davon aus, dass eine Beschichtung ein reales YSZ-System darstellt, das beispielsweise Poren und Mikrorisse enthält. Beaufschlagt man ein solches System mit einem Elektrolyten, so nimmt man an, dass sich die Poren und Mikrorisse damit füllen. Hierdurch erfährt der spezifische Beschichtungswiderstand eine Herabsetzung durch die mit Elektrolyt gefüllten Poren. Dabei wird angenommen, dass, sobald der Elektrolyt in Kontakt mit dem metallischen Werkstoff kommt, am Grunde dieser Poren elektrochemische Korrosionsprozesse stattfinden.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Einführung in die Thematik der Festelektrolytbrennstoffzellen (SOFC) und Elektrochemischen Membranreaktoren (EMR) sowie Erläuterung der Bedeutung der Anodenbeschichtung für die Ethanoxidation.
2 Theoretische Grundlagen: Erläuterung der physikalisch-chemischen Mechanismen der Sauerstoffionenleitung in keramischen Festelektrolyten sowie der Prinzipien der Elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS).
3 Experimentelle Grundlagen: Beschreibung der angewendeten Präparationsverfahren der Elektroden (Paintingverfahren) sowie des experimentellen Aufbaus und der physikalischen Berechnungsgrundlagen für Leitfähigkeit und Impedanz.
4 Ergebnisse und Diskussion: Detaillierte Darstellung der durch EIS ermittelten Impedanzspektren und Ersatzschaltbilder für die verschiedenen Materialkonfigurationen und Analyse der Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit.
5 Zusammenfassung und Schlussfolgerung: Synthese der Ergebnisse und Bewertung des Einflusses der verschiedenen Anodenmaterialien auf den Polarisationswiderstand sowie Ausblick auf zukünftige Optimierungspotenziale.
6 Anhang: Auflistung der verwendeten Geräte und Chemikalien sowie detaillierte tabellarische Darstellung der experimentell ermittelten Widerstands- und Leitfähigkeitswerte.
Schlüsselwörter
YSZ, Festelektrolytbrennstoffzelle, SOFC, Elektrochemischer Membranreaktor, EMR, Elektrochemische Impedanzspektroskopie, EIS, Anodenbeschichtung, Sauerstoffionenleitung, Palladium, Gold, Vanadiumoxid, Polarisationswiderstand, Ersatzschaltbild, Paintingverfahren
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Studienarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der experimentellen Untersuchung des elektrischen Verhaltens von Zirconia-Membranen (YSZ), die mit verschiedenen Anodenmaterialien wie Gold, Palladium oder Vanadiumoxid beschichtet wurden, um sie als Modellkatalysatoren in elektrochemischen Membranreaktoren einzusetzen.
Welche zentralen Themenfelder werden abgedeckt?
Die zentralen Themen umfassen die Festkörper-Elektrochemie, die Präparation keramischer Membranen, die Anwendung der Impedanzspektroskopie zur Charakterisierung von Transportmechanismen und die Analyse der Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Ziel ist es, den Einfluss verschiedener Edelmetall- und Oxid-Anodenbeschichtungen auf den Polarisationswiderstand und die Gesamtleitfähigkeit der YSZ-Membranen in einem Temperaturbereich von 600 °C bis 900 °C zu quantifizieren.
Welche wissenschaftliche Methode wird zur Charakterisierung angewendet?
Das primäre wissenschaftliche Messverfahren ist die Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS), deren Ergebnisse mittels physikalischer Ersatzschaltbilder (RC-Glieder, Konstantphasenelemente) interpretiert werden.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Im Hauptteil werden der experimentelle Aufbau, die genaue Vorgehensweise bei der manuellen Elektrodenpräparation (Paintingverfahren) sowie die detaillierte Auswertung und Diskussion der Impedanzspektren für die spezifischen Materialkombinationen vorgestellt.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind insbesondere YSZ, SOFC, EMR, Elektrochemische Impedanzspektroskopie, Leitfähigkeit, Polarisationswiderstand, Anodenkatalysatoren und Ersatzschaltbilder.
Welche Funktion hat das im Anhang aufgeführte Porenmodell?
Das Porenmodell dient der physikalischen Interpretation der ermittelten Widerstandswerte; es erklärt, wie die Füllung von Poren und Mikrorissen in der Beschichtung mit Elektrolyt die gemessenen elektrischen Eigenschaften beeinflusst.
Warum wurden für die Konfiguration mit Vanadiumoxid (Au+VOx) keine Messungen bei 800 °C durchgeführt?
Messungen bei 800 °C und 900 °C wurden für diese Konfiguration ausgelassen, da diese Temperaturen oberhalb der Sublimationstemperatur von V2O5 liegen, was die Stabilität der Beschichtung beeinträchtigen würde.
Wie unterscheidet sich die Anodenbeschichtung "Au+Pd" von der "Au+Pd/Au" Mischung?
Die Unterschiede liegen in der strukturellen Zusammensetzung und Porosität nach dem Sinterprozess, wobei die Mischstrukturen (Pd/Au) bei der rasterelektronenmikroskopischen Aufnahme teilweise eine abweichende Porosität und elektrische Charakteristik zeigen.
Welchen Einfluss hat die Temperatur auf den Membranwiderstand laut den Ergebnissen?
In allen untersuchten Materialkonfigurationen zeigt sich mit steigender Temperatur eine deutliche Abnahme des Gesamtwiderstandes, was auf das thermisch aktivierte Verhalten der Ionenleitung im YSZ-Festelektrolyten zurückzuführen ist.
- Quote paper
- Dipl.-Ing Melanie Müller (Author), 2004, Präparation und Charakterisierung von Au/Pd- und Au/VOx-Anoden auf YSZ–Membranen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/73080
