Wybrane problemy badawcze reakcji redukcji tlenu na granicy faz Pt|8YSZ

• Autorzy: Dudek M. , Tomczyk P. , Raźniak A. , Lis B. , Reben M. , Gajek M. , Socha R. P.

Warianty tytułu

EN

Selected research problems of the oxygen reduction reaction at the Pt|8YSZ interface

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy przedstawiono wybrane wyniki badań procesu redukcji tlenu w układzie O2|Pt|8YSZ (elektrolit tlenkowy 8% mol. Y2O3 w ZrO2) w warunkach pracy ogniwa SOFC z wykorzystaniem pseudopunktowych elektrod platynowych litych i porowatych. Na podstawie pomiarów chronoamperometrycznych wykonanych dla układu O2|Pt|8YSZ po spolaryzowaniu elektrody platynowej nadnapięciem ujemnym E = -0,5 V w temperaturze 700 °C, stwierdzono wzrost wielkości prądu w przypadku obu typów elektrod w czasie długotrwałej polaryzacji. Zastosowanie metody elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej pozwoliło na stwierdzenie zmniejszenia się oporności omowej Rs, której wielkość nie powinna zależeć od przyłożonego nadpotencjału. Znacznemu obniżeniu uległa również wielkość oporności polaryzacyjnej (aktywacyjnej) Rp, co związane jest głównie z kinetyką reakcji elektrodowej redukcji tlenu. Przyczyną obserwowanych zmian oporności Rp oraz Rs po spolaryzowaniu nadnapięciem ujemnym może być poszerzenie strefy reakcji redukcji tlenu. Fakt ten potwierdziły obserwacje wykonane metodą mikroskopii skaningowej powierzchni kontaktu elektrody Pt z elektrolitem 8YSZ dla „zamrożonych” próbek po badaniach elektrochemicznych. Platynowa elektroda spolaryzowana ujemnym nadnapięciem jest źródłem migrującego metalu, który rozprzestrzenia się wokół elektrody w formie dendrytu. Tak więc rozbudowa metalicznej struktury dendrytowej w strefie przyelektrodowej zwiększa pole kontaktu trzech faz, na którym zachodzi reakcja redukcji tlenu. Czynniki te prowadzą do wzrostu wielkości prądu płynącego przez półogniwo: O2|Pt|8YSZ. Dodatkowo w wyniku pomiarów wykonanych metodą XPS/ESCA zidentyfikowano zmiany struktury powierzchniowej warstwy elektrolitu 8YSZ w obszarze kontaktu z elektrodą Pt, zachodzące pod wpływem długotrwałej polaryzacji.

EN

This paper presents the investigations of the oxygen reduction process in the O2|Pt| 8YSZ (8 mol.% Y2O3 in ZrO2) system using the quasi metallic point and porous platinum electrodes. The chronoamperometric and electrochemical impedance spectroscopy measurements were performed for the O2|Pt|8YSZ system at 700 °C after polarization of the platinum electrode with a negative overpotential of E = -0.5. The increase in absolute values of current, which flowed in the O2|Pt|8YSZ half-cell, was noticed for both types of platinum electrodes during the long-term polarization. Electrochemical impedance spectroscopy investigations revealed a decrease of ohmic resistance Rs which should not be dependent on the applied voltage. The decrease in polarization resistance Rp was also noticed, being mainly related to the electrode reaction kinetics of oxygen reduction. The main reason for the observed changes in the Rp and Rs resistances during the long time polarization at the overpotential of -0.5 V could be related to variations of the Pt electrode geometry. These facts were confirmed by the SEM/EDX analysis. The platinum electrode polarized with the negative overpotential is a source of dendrite-like particles deposited on the 8YSZ surface. Thus, expansion of the metallic dendrite structure in the place of direct contact with the quasi point electrode caused a increase of the three phase boundary area. As a consequence of this, a continuous increase in current for the O2|Pt|8YSZ system was observed. These observations agree with the XPS/ESCA investigations which identified changes in the surface structure of the 8YSZ ceramic electrolyte that occurred during the long-time polarization.

Słowa kluczowe

PL

elektrolit tlenkowy 8YSZ; pseudopunktowa elektroda Pt; redukcja tlenu; stałotlenkowe ogniwo paliwowe

EN

8YSZ solid electrolyte; Pt quasi-point electrode; oxygen reduction reaction; SOFC

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2016
• Tom: T. 68, nr 2
• Strony: 162--167
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Dudek M.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Energetyki i Paliw, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Tomczyk P.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Energetyki i Paliw, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Raźniak A.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Energetyki i Paliw, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Lis B.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Energetyki i Paliw, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Reben M.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Gajek M.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Socha R. P.

• Instytut Katalizy i Fizykochemii Powierzchni PAN, ul. Niezapominajek 8, 30-239 Kraków

Bibliografia

• [1] Tomczyk, P.: MCFC versus other fuel cells - characteristics, technologies and prospects, J. Power Sources, 160, (2006), 858-862.
• [2] Singhal, S. C., Kendall, K.: High temperature Solid Oxide Fuel Cells: Fundamentals, Design and Applications, S. Singhal, K. Kendall (Eds.), Elsevier 2003.
• [3] Szurlej, A., Ruszel, M., Olkuski, T.: Czy gaz ziemny będzie paliwem konkurencyjnym, Rynek Energii, 5, (2015), 3-10.
• [4] Nishi, M., Yokokawa, H., Kishimoto, H., Yamaji, K., Horita, T.: Oxygen isotope labelling method and oxygen reduction reaction mechanism of SOFC cathode, Solid State Ionics, 262, (2014), 392-397.
• [5] Simrick, N. J., Bieberle-Hütter, A., Ryll, T. M., Kilner, J. A., Atkinson, A., Rupp, J. L. M.: An investigation of the oxygen reduction reaction mechanism of La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3 using patterned thin films, Solid State Ionics, 206, (2012), 7-16.
• [6] J. H. Wang, M. Liu, M. C. Lin: Oxygen reduction reactions in the SOFC cathode of Ag/CeO2, Solid State Ionics, 177, (2006), 939-947.
• [7] Nielsen, J., Hjelm, J.: Impedance of SOFC electrodes: A review and a comprehensive case study on the impedance of LSM:YSZ cathodes, Electrochimica Acta, 174, (2015), 1030-1040.
• [8] Egger, A., Bucher, E., Yang, M., Sitte, W.: Comparison of oxygen exchange kinetics of the IT-SOFC cathode materials La0.5Sr0.5CoO3−δ and La0.6Sr0.4CoO3−δ, Solid State Ionics, 225, (2012), 55-63.
• [9] Huber, T. M., Opitz, A. K., Kubicek, M., Hutter, H., Fleig, J.: Temperature gradients in microelectrode measurements: Relevance and solutions for studies of SOFC electrode materials, Solid State Ionics, 268, (2014), 82-93.
• [10] Pöpke, H., Mutoro, E., Raiß, C., Luerßen, B., Amati, M., Abyaneh, M. K., Gregoratti, L., Janek, J.: The role of platinum oxide in the electrode system Pt(O2)/yttria-stabilized zirconia, Electrochimica Acta, 56, 28, (2011), 10668-10675
• [11] T. Hong, F. Chen, Ch. Xia: Barium carbonate nanoparticles as high temperature oxygen reduction catalyst for solid oxide fuel cells, Electrochemistry Comm., 51, (2015), 93-97.
• [12] Opitz, A. K., Fleig, J.: Investigations of O2 reduction on Pt|YSZ by means of microelectrodes. The geometry dependence of the electrode impedance, Solid State Ionics, 181, (2010),,684-693.
• [13] G. Wang, H. Li, Y. Hu, L. Xu, L. Zheng: Effect of polarization on the O2(g), Au|YSZ electrode system, Int. J. Electrochem. Sci., 8, (2013), 6579-6590.
• [14] Nielsen, J., Jacobsen, T.: Three-phase-boundary dynamics at Pt/YSZ microelectrodes, Solid State Ionics, 178 ,(2007), 1001-1009.
• [15] Stulik, K., Amatore, Ch., Holub, K., Marecek, V., Kutner, W.: Microelectrodes. Definitions, characterization and applications, Purre Appl. Chem., 72, (2000), 1483-1492.
• [16] Tomczyk, P., Mosiałek, M., Żurek, S.: Effect of time and polarization on kinetics of the oxygen electrode reaction at an Au|YSZ interface, J. Electroceram., 8, (2009), 25-36.
• [17] Raźniak, A., Tomczyk, P.: Application of microelectrodes for investigation oxygen electrode reaction in solid oxide electrolytes, Mater. Sci. Poland, 26, 1, (2008), 195-206.
• [18] Adler, S. B.: Factors Governing Oxygen Reduction in Solid Oxide Fuel Cell Cathodes, Chem. Rev., 104, (2004), 4791-4844.
• [19] Ivers-Tiffée, E., Weber, A., Schmid, K., Krebs, V.: Macroscale modeling of cathode formation in SOFC, Solid State Ionics, 174, (2004), 223-232.
• [20] Mosiałek, M., Bielańska, E., Socha, R. P., Dudek, M., Mordarski, G., Nowak, P., Barbasz, J., Rapacz-Kmita, A.: Changes in the morphology and the composition of the Ag|YSZ and Ag|LSM interfaces caused by polarization, Solid State Ionics, 225, (2012), 755-759.
• [21] Dupin, J. C., Gonbeau, D., Vinatier, P., Levasseur, A.: Phys. Chem., 2(2000) 1319-1324.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.