熱履歴に基づく薄膜電極の表面再構築とガス/固体および固体/固体界面での触媒活性と安定性への意義

Surface Restructuring of Thin-Film Electrodes Based on Thermal History and Its Significance for the Catalytic Activity and Stability at the Gas/Solid and Solid/Solid Interfaces.

• Ozden Celikbilek
• Andrea Cavallaro
• Gwilherm Kerherve
• Sarah Fearn
• Odette Chaix-Pluchery
• Ainara Aguadero
• John A Kilner
• Stephen J Skinner

抄録

固体エネルギーデバイスの電極は、膜処理から高温でのデバイス動作まで、様々な熱処理を受けています。これらの熱処理は、熱的に誘起される化学的再構築が微細構造や形態を形成するため、膜の化学的活性や安定性に影響を与えます。ここでは、複合遷移金属酸化物、特にパルスレーザー堆積法(PLD)で成膜したLaSrCoO(LSC64)薄膜における酸素還元反応(ORR)活性と熱履歴の相関を調べた。この目的のために、厚さ200nmのLSC64薄膜を3枚作製し、プロセスと熱履歴の違いを調べた。表面感度の高い様々な元素分析技術(低エネルギーイオン散乱,X線光電子分光法,二次イオン質量分析法)を用いて、最表面から膜/基板界面に至るまでのカチオンの分布を徹底的に調べた。さらに、電気化学インピーダンス分光法を用いて、膜の活性と安定性を調べた。その結果、600℃でのORR活性は同等であったにもかかわらず、500℃での長期安定性試験では劣化速度が2倍も異なることが明らかになった。ここでは、特にLSC64電極の安定性のための元素表面分布における加工と熱履歴の重要性を強調し、それらを活性表面の設計における主要な柱の一つとして考慮すべきであることを提案する。

Electrodes in solid-state energy devices are subjected to a variety of thermal treatments, from film processing to device operation at high temperatures. All these treatments influence the chemical activity and stability of the films, as the thermally induced chemical restructuring shapes the microstructure and the morphology. Here, we investigate the correlation between the oxygen reduction reaction (ORR) activity and thermal history in complex transition metal oxides, in particular, LaSrCoO (LSC64) thin films deposited by Pulsed Laser Deposition (PLD). To this end, three ~200 nm thick LSC64 films with different processing and thermal history were studied. A variety of surface-sensitive elemental characterisation techniques (i.e. low-energy ion scattering, X-ray photoelectron spectroscopy and secondary ion mass spectrometry) were employed to thoroughly investigate the cationic distribution from the outermost surface to the film/substrate interface. Moreover, electrochemical impedance spectroscopy was used to study the activity and the stability of the films. Our investigations revealed that, despite the initial comparable ORR activity at 600 °C, the degradation rates of the films differed by two-fold in the long-term stability tests at 500 °C. Here we emphasize the importance of processing and thermal history in the elemental surface distribution, especially for the stability of LSC64 electrodes and propose that they should be considered as among the main pillars in the design of active surfaces.