Spectroscopic analysis of solid oxide fuel cell material with XPS

Význam tématu

Solid oxide fuel cells (SOFC) představují vysoce účinné a ekologicky šetrné zařízení pro přímou přeměnu paliva na elektrickou energii. Účinnost a dlouhodobá stálost těchto článků závisí především na vlastnostech povrchové vrstvy katody, která katalyzuje redukci kyslíku. Elementární a chemická specifika povrchu perovskitových materiálů, jako jsou stroncemi substituované lanthanum kobaltity (LSC), zásadně ovlivňují výkon SOFC.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem studie bylo vyhodnotit změny chemického a elementárního složení povrchu LSC katody před a po tepelném cyklování. Simulovalo se provozní zatížení článku opakovaným ohřevem za vzduchu při vysoké teplotě. Klíčové otázky se týkaly stability perovskitové vrstvy, tvorby povrchových karbonátů a oxidačního stavu prvků.

Použitá metodika a instrumentace

Pro analýzu byla využita rentgenová fotoelektronová spektroskopie (XPS) na systému Thermo Scientific™ Nexsa™ XPS System. Metoda umožnila nedestruktivní zjištění chemických vazeb a elementárního složení povrchu v hloubkách do 6 nm s možností úhlového rozlišení (0–3 nm při měření pod malým úhlem). Vzorky tvořil LSC film depozitovaný na YSZ substrátu s meziprostorovou vrstvou GDC. Povrchové analýzy probíhaly před a po tzv. annealingu v atmosférickém vzduchu při vysoké teplotě.

Hlavní výsledky a diskuse

• Elementární kvantifikace ukázala nedostatek Co a neoptimální poměr La : Sr ve vzorku jak před, tak po annealingu, indikující nestabilitu pod tepelným cyklováním.
• XPS spektra uhlíku a stroncia odhalila tvorbu povrchových karbonátů. Po annealingu se jejich množství významně snížilo, což zlepšuje katodovou aktivitu pro Oxygen Reduction Reaction.
• Úhlová analýza stroncia potvrdila, že karbonáty se soustředí v první vrstvě 0–3 nm od povrchu.
• Analýza piků lanthanu prokázala posun spinově-orbitálního štěpení směrem k hodnotám pro oxid místo karbonátu, což značí částečné odstranění karbonátové fáze.
• Valenční pás a vysoké rozlišení Co 3d spekter ukázaly nárůst podílu Co(III) po annealingu. Substituce Sr do mřížky podporuje vznik kyslíkových vakancí a relativní podíl Co(II) lze kvantifikovat z poměru satelitních a hlavních píků.

Přínosy a praktické využití metody

Non-destruktivní XPS analýza umožňuje detailní charakterizaci povrchové chemie SOFC materiálů v provozních tloušťkách vrstev. Získané informace o rozmístění karbonátů, oxidačním stavu kovů a stabilitě perovskitu napomáhají optimalizovat složení katodových vrstev a zvyšovat výkon a životnost SOFC.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Vývoj in situ XPS měření za provozních podmínek elektrického zatížení článků.
• Kombinace XPS s dalšími povrchově citlivými technikami (např. ToF-SIMS, AES) pro širší analytický pohled.
• Design nových perovskitových katalyzátorů s cílenou kontrolou oxidačních stavů a minimalizací povrchových nevýhod.
• Využití úhlově rozlišené XPS pro fine-tuning hloubkového profilu aktivních částic.

Závěr

Studie prokázala, že tepelný cyklus v atmosférickém vzduchu snižuje množství povrchových karbonátů na LSC katodě, zvyšuje podíl Co(III) a částečně odstraňuje karbonátové fáze lanthanu. Tyto změny vedou k lepší efektivitě oxygen reduction reaction a podporují robustnější výkon SOFC. XPS se ukazuje jako klíčový nástroj pro optimalizaci povrchové chemie palivových článků.

Použitá instrumentace

• Thermo Scientific™ Nexsa™ XPS System