title: Characterization of mixed conducting thin film electrodes and operation of oxygen pumping setups
Creators: name: Siebenhofer, Matthäus
Publisher: name: TU Wien
Year: 2018
Subjects: subject: solid oxide fuel cells
subject: impedance spectroscopy
subject: oxygen pumping
subject: ceramics
subject: mixed conductors

description: Oxide, in denen sich die Defektkonzentration mit dem Sauerstoffpartialdruck p(O2) ändert, sind wichtige Materialien für Festoxidbrennstoffzellen (SOFCs) und Messgeräte. Eine genaue Charakterisierung dieser Materialien über einen großen p(O2)-Bereich ist dazu äußerst wichtig. Da Eigenschaften wie die Sauerstoff-Stöchiometrie und die Defektchemie einen großen Einfluss auf die ionische und elektronische Leitfähigkeit der Materialien haben, hängt z.B. das Elektrodendesign stark davon ab, wie sich diese Eigenschaften mit der Temperatur und dem Sauerstoffpartialdruck ändern. Für diese Arbeit wurden, inspiriert von Literaturquellen, zwei Sauerstoffpumpsysteme konstruiert, die einen gewünschten Partialdruck in einem abgeschlossenen Raum erzeugen können. Diese Systeme wurden anschließend mit Gleichstrommessungen und elektrochemischer Impedanzspektroskopie getestet. Das Verhalten beider Setups war zufriedenstellend und ermöglichte sehr schnelle und stabile Änderungen der Sauerstoffatmosphäre zwischen 1 und 10-33 bar. Der erste Testbetrieb der Setups fand mit La0.6Sr0.4FeO3- Dünnschichtelektroden statt. Die aus diesen Messungen berechnete chemische Kapazität stimmt mit vorliegenden Literaturwerten überein und bestätigt, dass solche Setups für elektrochemische Messungen geeignet sind. Des Weiteren wurden über Pecchini Synthese und isostatisches Pressen Pellets aus undotiertem, mit Cer dotiertem und mit Mangan dotiertem Neodymiumnickelat Nd2NiO4+ (NNO) hergestellt. Mithilfe von Pulsed Laser Deposition (PLD) wurden Dünnschichten der drei Zusammensetzungen auf YSZ Substraten abgeschieden und mithilfe von Röntgenbeugung und elektrochemischer Impedanzspektroskopie charakterisiert. Die Phasenreinheit der Pellets war akzeptabel, bei den Dünnschichten war die Identifikation der gebildeten Phasen schwieriger. Elektrochemische Messungen zeigten, dass der Oberflächenaustauschkoeffizient und die Sauerstoff-Nichtstöchiometrie gut mit vorherigen Experimenten in der Literatur übereinstimmen. Für den Vergleich der dotierten Zusammensetzungen existiert keine Literatur, es geht aber aus den Messergebnissen hervor, dass die n-Dotierung die Eigenschaften von Neodymiumnickelat im Vergleich zum undotierten Fall nicht bedeutend verbessert.
description: Oxides which change their defect concentration with the oxygen partial pressure p(O2) are important materials for solid oxide fuel cells (SOFCs) and sensors. Exact characterization of these materials over a large p(O2) range is desired. Since properties such as oxygen stoichiometry and defect chemistry have a big influence on ionic and electronic conductivity, electrode design strongly depends on how these properties change with temperature and oxygen partial pressure. In this thesis, inspired by literature, two oxygen pumping setups were assembled which could establish a desired oxygen partial pressure in a closed space. Afterwards they were tested with DC measurements and electrochemical impedance spectroscopy. The performance of both setups was very satisfying, allowing very fast and stable changes of the oxygen partial pressure in a range from 1 bar to 10-33 bar. The operation of the setups was first tested on La0.6Sr0.4FeO3- thin film electrodes. The chemical capacitance resulting from these measurements is comparable to previous literature results and underlines the suitability of these setups for electrochemical measurements. Furthermore, pellets of undoped, cerium doped and manganese doped neodymium nickelate Nd2NiO4+ (NNO) were produced via Pecchini synthesis and isostatic pressing. With the means of pulsed laser deposition (PLD) thin films of all three compositions were deposited on YSZ substrates and characterized by X-ray diffraction and electrochemical impedance spectroscopy. The pellets showed acceptable phase purity with this method, in contrast to the thin films, where identification of the formed phases was more difficult. Electrochemical measurements showed that the surface exchange coefficient and the oxygen nonstoichiometry of the undoped neodymium nickelate sample agreed very well with previous experiments in literature. For the comparison of the doped compositions there is no literature available, but the results suggest that n-type doping does not considerably improve the properties of neodymium nickelate thin films compared to undoped films.