In der vorliegenden Arbeit wird erstmals systematisch der Einfluss von gasförmigen und festen Verunreinigungen auf das O2, Pt│YSZ- Elektrodensystem am praxisnahen Beispiel der Lambdasonde untersucht. Dazu wurden Festelektrolyt- und Elektrodenmaterialien unterschiedlicher Zusammensetzung und Morphologie den realen Abgasbedingungen nachempfundenen, chemischen und physikalischen Einflüssen ausgesetzt und in Bezug auf Langzeitstabilität, Sensitivität und Wirkmechanismen untersucht. Im Einzelnen lag der Fokus der Untersuchungen auf zwei Ausführungsformen von Elektroden, die sich vor allem durch mikro- bzw. nanoskalige Partikelgrößenverteilungen sowie der Platin/YSZ-Zusammensetzung unterschieden und als Mikro- bzw. Nano-Elektrode bezeichnet wurden.
Der Einfluss von Siliciumdioxid als gezielt dem Festelektrolyten beigemischte intrinsische Vergiftung sollte in Wechselwirkung zu den extrinsischen Verunreinigungen wie Natriumionen, Wasserdampf und Phosphorpentoxid untersucht werden. Im Unterschied zu den in der Literatur betrachteten, vereinfachten Modellsystemen konnten damit erstmals Wechselwirkungen beschrieben werden, die zu einem tieferen Verständnis des realen Sensorverhaltens, vor allem der Degradation beitragen. Insbesondere ist es gelungen, ein Modell für die Sauerstoffreaktion an geschädigten Elektroden aufzustellen. Neben der bekannten elektrochemischen Reduktion von Sauerstoff spielen die Transportvorgänge an der Elektrodenoberfläche eine entscheidende Rolle, über die in der Literatur bisher nur wenig bekannt war.:1 Einleitung
1.1 Motivation
1.2 Zielsetzung
1.3 Methodisches Vorgehen und struktureller Aufbau der Arbeit
2 Theoretische Grundlagen
2.1 Festelektrolyt Yttriumoxid stabilisiertes ZrO2 (YSZ)
2.1.1 Strukturelle Aspekte
2.1.2 Elektronen- und Ionenleitung
2.2 Elektroden im Gleichgewicht und unter Stromfluss
2.2.1 Gleichgewichtselektrode
2.2.2 Elektroden unter Stromfluss
2.2.2.1 Ladungsdurchtritt und Transportprozesse
2.2.2.2 Co-limitierte Prozesse
2.2.2.3 Konzentrationslimitierendes Verhalten
2.3 Stabilität von Elektrodensystemen
2.3.1.1 Unterschiede von dichten und porösen Metall/ Cermet-
Elektroden (morphologische Parameter)
2.3.1.2 Ursachen der Degradation
2.4 Elektrochemische Methodik zur Charakterisierung des Elektrodensystems
2.4.1 Zyklovoltammetrie
2.4.2 Elektrochemische Impedanzuntersuchung
3 Messtechnik und Experimentelles
3.1 Probenherstellung
3.1.1 Präparation und Zusammensetzung
3.1.2 Funktion
3.2 Messplätze für Elektroden- und Sensoruntersuchungen
3.2.1 Standardmessplatz
3.2.2 Messplatz zur Phosphorvergiftung
3.3 Vorbehandlung des Elektrodensystems
3.4 Degradation und Bewertung
3.4.1 Degradation durch SiO2
3.4.2 YSZ-Degradation durch Wasser
3.4.3 YSZ-Degradation durch Natriumionen
3.4.4 Elektrodendegradation durch Wasserdampf
3.4.5 Elektrodendegradation durch Phosphor
3.4.6 Regeneration
3.5 Charakterisierung des Elektrodenystems & Grenzen der Methodik
3.5.1 Analytische und bildgebende Verfahren
3.5.2 Elektrochemische Verfahren
4 Experimentelle Ergebnisse und Diskussion
4.1 Morphologie der Elektrodensysteme
4.1.1 Festelektrolyt
4.1.1.1 Einfluss von Siliciumdioxid
4.1.1.2 Einfluss von Natriumionen
4.1.1.3 Zusammenfassung Festelektrolyt
4.1.2 Poröse Cermet-Elektrode
4.1.2.1 Elektrodenstruktur
4.1.2.2 Elementare Elektrodenprozesse
4.1.2.3 Niedertemperaturverhalten
4.1.2.4 Zusammenfassung der Resultate, gewonnen an der porösen Cermet-Elektrode
4.2 Degradation der Elektrodensysteme
4.2.1 Einfluss von Siliziumdioxid
4.2.2 Einfluss von Wasserdampf
4.2.2.1 Motivation
4.2.2.2 Festelektrolyt
4.2.2.3 Alterung von Cermet-Elektroden in Wasserdampfhaltigen Gasen
4.2.2.4 Elektrochemisch provozierte Reaktionen
4.2.2.5 Degradationsmechanismen
4.2.2.6 Zusammenfassung H2O
4.2.3 Einfluss von Phosphorpentoxid
4.2.3.1 Elektrochemisch provozierte Reaktion
4.2.3.2 Degradationsmechanismen
4.2.3.3 Zusammenfassung P2O5
5 Zusammenfassung und Ausblick
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:28991 |
| Date | 02 October 2015 |
| Creators | Vonau, Corinna |
| Contributors | Guth, Ulrich, Fritze, Holger, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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