使用XPS进行固体氧化物燃料电池材料的光谱分析

由...赞助Thermo Fisher Scientific - X射线光电子能谱（XPS）2015年7月14日

固体氧化物燃料电池（SOFC）是电化学仪器，可直接将燃料转化为电力。通过低发射，高效率和长期稳定性定义，燃料电池装置包括透水阳极和阴极层，它们之间具有厚的固体氧化物电解质，如图1所示。

固体氧化物燃料电池的操作示意图

图1。固体氧化物燃料电池的操作示意图

阴极层的目的是逐渐电离大气中的氧气并将其转移到电解质中，在那里它与燃料相遇。该设备的整体效率与阴极的能力，以导致这种假设的氧还原反应。锶取代钴酸镧用作燃料电池阴极层。使用这些钙钛矿材料，催化活性受到化学和表面元素欧洲杯足球竞彩组成的影响。XPS的化学特异性使其成为研究SOFCs的合适方法。

实验框架

采用XPS技术对样品阴极材料在空气中高温退火前后进行了分析，复制了实际SOFC器件的热循环过程。研究了高温退火前后的镧锶钴酸盐(LSC)层。LSC层随后沉积在钇稳定的氧化锆(YSZ)衬底上，其间掺杂了钆的氧化铈层。YSZ衬底是一种致密的电解质，而LSC层作为阴极，如图2所示。

扫描固体氧化物燃料电池横截面的电子显微镜图像

图2。扫描固体氧化物燃料电池横截面的电子显微镜图像

为了获取阴极层表面的元素和化学数据，使用XPS方法以非破坏性方式研究LSC层的顶点。氧气从大气层（空气）吸收并改变为离子的速度依赖于LSC的最外表面的组成和化学。

结果和讨论

通过简单，非破坏性XPS检查LSC层的表面，在膜组合物中观察到相当大的变化。这种变化是由退火引起的。图3中示出了作为接受样品和退火样品的元素组合物的比较。在这两种膜中，钴的浓度远小于预测值。另外，在这种情况下，镧与锶的比例在这种情况下都不是有利的。此外，考虑到该比率在退火和作为接受的膜之间改变，所以它表明薄膜在热循环设置下不稳定，这在使用时可能会经历。

退火后和收到样品的表面成分的元素定量

图3。退火后和收到样品的表面成分的元素定量

高分辨率光谱的a）碳和b）锶

图4。高分辨率光谱的a）碳和b）锶

来自LSC层顶表面的碳光谱的高能量分辨率XPS分析有助于检测碳粘合状态的存在（图4A）。如此观察到的C-C和C-O组分来自随意沉积的碳，通常在暴露于空气的样品上发现大量时间。在更大的结合能中，组分是无机碳酸盐的结果。在退火表面上发现少量的碳酸盐，并且碳酸酯峰的宽度的变化可以表明在退火样品中存在的碳酸盐在更具物理上有序的表面上形成。

使用锶高分辨率光谱，验证了碳谱中碳酸盐组分的分配。从未发烧的（接收的）样品中获得的锶光谱显示了可分配到LSC格子中的锶和碳酸锶的双键键合状态。在离子化锶的旋转和轨道角度动量之间的相互作用之间观察到各个键合状态的两个XPS峰值分量。

在升高温度下的气氛中的退火在很大程度上降低了碳酸锶与晶格结合锶原子的浓度的比例。碳酸盐对在顶点表面发生的氧还原反应产生负面影响，从而阻碍通过LSC层的氧离子的传输。因此，SOFC设备的整体性能将受到严重影响。

可以使用简单且易于公制跟踪LSC层顶部表面的镧化学，如图5所示。轨道和旋转角动量之间的强大相互作用导致镧XPS峰的分裂。这种分裂的程度与分裂组分的比率一起是现有化学态的诊断。例如，碳酸盐和镧具有可变的分裂器1ev。

在未经发酵的表面上，分裂如已经证明的锶和碳信息一致的碳酸盐。在退火之后，分裂呈氧化镧的价值，这表明碳酸酯水平降低但不是纯镧键合。数据与氧化碳酸酯混合物相当一致。

高分辨率镧的表面光谱

图5。高分辨率镧的表面光谱

采用角度分辨XPS分析的非破坏性方法，可以在LSC层的顶部几纳米处检测到碳酸锶的深度分布。当从不同的光电发射角度收集电子时，XPS的信息深度发生了显著变化。当锶利用垂直于样品表面的光电发射角时，信息深度在样品表面的0 ~ 6nm之间。

当利用浅角度时，采样从0到3nm的表面的较薄层。在图6中，可以观察到碳酸酯和LSC格子中的锶的相对量显着地改变，碳酸酯在取样仅仅是表面上的前3nm时相对较强，证实碳酸酯是表面物种。

接收样品的高分辨锶光谱a)法向光电发射角和b)浅光电发射角。

图6。接收样品的高分辨锶光谱a)法向光电发射角和b)浅光电发射角。

通过两种技术研究了LSC层的顶点表面的钴的化学物质，观察钴原子的价和核心水平。0到6eV之间的宽带是O2P和CO3D价轨道杂交的结果（图7A）。

a）价频谱谱和b）来自接收和退火的表面（0-6nm）的高分辨率钴光谱。

图7。a）价频谱谱和b）来自接收和退火的表面（0-6nm）的高分辨率钴光谱。

2.2EV的窄带早期分配到具有氧气的多面体布置中的+3氧化状态中的过渡金属。在退火之后，这种窄带的强度增加，这表明LSC层顶表面的CO（III）的浓度随退火而增加。价带的分析表明，在LSC层的表面上存在CO（III）。然而，高能量分辨率XPS分析钴（图7B）的核心水平表示CO（II）也存在。在长袍_3.没有锶原子，只有Co(III)，但以镧为代价取代锶进入晶格，增加了氧空位数，从而导致钴+2氧化态的形成。使用诊断Co(II)的XPS卫星峰与初级峰的比值，可以测量钴+2和+3氧化态。根据价带分析，XPS核心级信息显示，在大气退火过程中，LSC层顶表面Co(III)的比例增加。

结论

Thermo ScientificK-Alpha XPS系统用于研究潜在的SOFC材料。在增加温度下进行退火之前和之后研究了LSC层以复制实际SOFC装置的热循环。观察到在退火过程中，碳酸盐的比例减少了。这些碳酸酯对表面发生的氧还原反应产生负面影响，防止通过LSC层输送氧离子。而且，观察到碳酸盐位于表面的第一个3nm内。由于其独特的化学特异性和表面敏感性，因此可以仅通过XPS技术获取这些数据。

这些信息已被采购，从Thermo Fisher Scientific - X射线光电子谱（XPS）提供的材料中审查和调欧洲杯足球竞彩整。

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热费希尔科学- x射线光电子能谱(XPS)。（2020年5月20日）。使用XPS进行固体氧化物燃料电池材料的光谱分析。Azom。从6月27日，2021年6月27日从//www.wireless-io.com/article.aspx?articled=12151中检索。
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热费希尔科学- x射线光电子能谱(XPS)。“使用XPS进行固体氧化物燃料电池材料的光谱分析”。氮杂．2021年6月27日。。
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热费希尔科学- x射线光电子能谱(XPS)。2020.使用XPS进行固体氧化物燃料电池材料的光谱分析．Azom，浏览2021年6月27日，//www.wireless-io.com/article.aspx?articled=12151。