научная статья по теме СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СПЕКТРОВ ИМПЕДАНСА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЗМА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ Химия

Текст научной статьи на тему «СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СПЕКТРОВ ИМПЕДАНСА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЗМА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ»

ЭЛЕКТРОХИМИЯ, 2004, том 40, № 11, с. 1425-1429

УДК 541.135

СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СПЕКТРОВ ИМПЕДАНСА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЗМА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ

© 2004 г. И. Н. Прилежаева, Н. П. Соловьев1, Н. И. Храмушин

ГНЦ РФ-ФЭИ им. А.И. Лейпунского, 249033, г.Обнинск, пл.Бондаренко, 1, Россия

Поступила в редакцию 01.07.2003 г.

Преобразование импеданс-спектров в спектры времен релаксации (СВР) использовано для определения вклада отдельных процессов электрохимической реакции восстановления кислорода (РВК) в общее поляризационное сопротивление электрохимической ячейки. Способ преобразования сводится к решению уравнения свертки, которое находится с помощью модифицированного итерационного алгоритма Van Cittert. Алгоритм верифицировался на модельных импеданс-спектрах. Описываемый способ был использован при анализе импеданс-спектров электрохимических ячеек воздуx|Pt|YSZ|YSZ + + Р^воздух. Обнаружено, что изменение структуры керметного слоя YSZ + Pt с глобулярной на столбчатую сопровождается характерным изменением амплитуд пиков в СВР. Выявленная динамика СВР во время прогрева при 750°С сопоставляется с особенностями отдельных процессов РВК.

Ключевые слова: Твердооксидные топливные элементы, поляризационное сопротивление, двойные электрические слои, электрохимическая реакция, уравнение свертки, итерационный алгоритм, керметные покрытия.

ВВЕДЕНИЕ

Одно из направлений повышения эффективности энергоустановок на твердооксидных топливных элементах (ТОТЭ) - уменьшение внутренних энергетических потерь при протекании реакции восстановления кислорода (РВК) 1/2О2 + 2е ^ О2-[1, 2] в области температур 500-800°С, в особенности потерь на поляризационном сопротивлении. Поляризационное сопротивление является результатом образования двойных электрических слоев (ДЭС) на границах раздела сред, через которые происходит перенос заряда в РВК. Структура ДЭС определяется кинетикой процессов, участвующих в РВК (адсорбция, ионизация, диффузия).

Эффективным средством исследования ДЭС является импедансная спектроскопия. Отдельный ДЭС, с точки зрения прохождения через него электрического тока, может быть представлен как емкость С, шунтированная сопротивлением Я. Импеданс-спектр такой ЯС-цепочки (годограф Найквиста) представляет собой идеальную полуокружность. Соответственно, система ДЭС представляется в импеданс-спектре как некоторая суперпозиция нескольких полуокружностей.

Суммарное поляризационное сопротивление электрохимической ячейки может быть определено из годографов Найквиста как длина отрезка, отсе-

1 Адрес автора для переписки: solovyov@ippe.obninsk.ru (Н.П. Соловьев).

каемого на оси ординат высокочастотной и низкочастотной ветвями годографа.

Каждый из присутствующих в электрохимической ячейке двойных слоев вносит свой вклад в тонкую структуру импеданс-спектра. Представляет интерес по тонкой структуре импеданс-спектра, полученного от некоторой электрохимической ячейки, получить информацию о характеристиках ДЭС, присутствующих в данной ячейке, и соответственно о параметрах процессов, ответственных за появление данных ДЭС, для оценки вклада отдельных процессов в суммарное поляризационное сопротивление.

Среди существующих подходов к интерпретации импеданс-спектров можно выделить два. В первом по некоторым априорным физическим представлениям строится качественная модель - эквивалентная электрическая цепь. Затем определяются параметры данной цепи, обеспечивающие максимально точное соответствие экспериментальной кривой, например, по известной программе Bou-еашр. Достоинством этого подхода является очевидность и наглядность, а недостатком - некоторый произвол в выборе модели, сильная зависимость от начального приближения.

Другой подход позволяет непосредственно из экспериментального спектра определить параметры эквивалентной электрической цепи. Данный подход базируется на двух обстоятельствах. С одной стороны, любая электрическая цепь, состоя-

щая из К и С элементов и обладающая конечным омическим сопротивлением, может быть взаимно однозначно сопоставлена с некоторой цепью из последовательности параллельных КС-цепочек, обладающей тем же импедансом, что и исходная электрическая цепь. С другой стороны, известно [3], что электрохимическая ячейка может быть представлена как последовательность двойных слоев, каждый емкостью С, заполненный проводящим слоем с сопротивлением Я, с характерным временем релаксации т = Я; С

В [4, 5] показано, что при переходе к бесконечному числу элементов, каждый со своим временем релаксации т и сопротивлением Ж(т), и при упорядочивании этих элементов по т мнимая часть импеданса электрохимической ячейки как функция 1п(ю) может быть представлен в виде свертки

Щ Г

1тг(х) = -у ] 8ееИ(у)g(у - х)ёу =

= -^ееИ (х )* g (-х).

Здесь Яр - поляризационное сопротивление электрохимической ячейки,

2

х = 1п (ю/ю0), у = 1п (ют), 8ееИ (х) =

e + e

g (У - x)

= 1- dR(T) = 1 dR( y - x ) = Rpdln (t) = Rp d( y - x )

и J g (x) dx = 1.

Функция g(x) отражает распределение поляризационного сопротивления по 1п (ю), и пики на этой функции могут интерпретироваться как результат некоторого ДЭС. По положению пика и по его площади можно определить параметры эквивалентной ЩС-цепочки. При обработке экспериментальных данных оказывается удобным работать не с функцией g(x), а с функцией р(х) = = Rpg(x), являющейся распределением поляризационного сопротивления электрохимической ячейки

Исходные и расчетные параметры модельной электрической цепи

i Исходные параметры Расчетные параметры

R, Ом C, Ф ln(Ti) Ri, Ом Ci, Ф ln(Ti)

1 3 0.0451 -2 2.93 0.0488 -1.95

2 5 0.00366 -4 5.20 0.00356 -3.99

3 4 0.000629 -6 4.02 0.000595 -6.04

по параметру x. Далее по тексту p(x) - спектр времен релаксации.

Как отмечалось выше, полученную таким образом последовательность параллельных RC-це-почек можно преобразовать в различные электрические цепи с одним и тем же импедансом. Выбор цепи определяется физической моделью электрохимической реакции. Получение спектров времен релаксации сводится к решению уравнения свертки. При этом авторами [4, 5] использовался способ, основанный на теореме Фурье для свертки. Однако этот способ, связанный с делением двух дискретных знакопеременных функций, сопряжен с сильными искажениями конечного результата, с появлением ложных пиков.

Настоящая работа посвящена описанию результатов применения другого способа решения уравнения свертки - модифицированного итерационного алгоритма Van Cittert.

АЛГОРИТМ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

В классическом алгоритме Van Cittert [6] для решения уравнения свертки f = XA используется итерационная процедура:

Xi + 1 = X, + a(f - XA),

где a - подгоночный параметр.

Недостатками данной процедуры является появление ложных пиков в отрицательной области и зависимость от исходного приближения. Требование положительности функции X на всем диапазоне определения привело нас к необходимости модифицировать данный алгоритм с учетом знака функции А, = f - X* A

Xi + i =

rX; + А,, А, > 0 X; exp (А; / X;) , А; < 0.

Очевидно, что при малых значения функции А модифицированный алгоритм практически совпадает с классическим. Для аппроксимации за границы интервала определения на бесконечность экспериментальная функция 1т г/) строилась в логарифмических координатах и линейно экстраполировалась за границы интервала определения.

Модифицированный алгоритм обладает хорошей сходимостью. При этом в качестве начального приближения достаточно взять исходную экспериментальную функцию/. Сходимость итерационного процесса контролировалась по величине 5; =

= д^А2/1/2. Величина этого параметра для конечной итерации была менее 0.5%.

Алгоритм верифицировался на модельном импеданс-спектре, полученном для электрической цепи, состоящей из трех ЩС-цепочек. Значения

1п/, 1п(1/т)

Рис. 1. Модельный импеданс-спектр 1тX (сплошная линия) и спектр времен релаксации р (точечная линия).

параметров цепи как исходные, так и полученные в результате обработки цепи приведены в таблице. Исходный спектр 1шХ(/) и полученный в результате обработки спектр времен релаксации р[1п(1/т)] приведены на рис. 1.

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА

Описываемый способ преобразования импеданс-спектров был применен при исследовании электрохимических ячеек воздух|Р1|У82|У82 + + Р1|воздух, где кермет У82 + Р наносился способом, описанным в [7]. Здесь керметные покрытия наносились на пластину У82 методом высокочастотного магнетронного распыления металлических мишеней в смеси Аг и 02. При этом морфология покрытия сильно зависела от угла наклона а

оси магнетрона относительно плоскости образца. В данной работе анализировались импеданс-спектры для электрохимических ячеек с керметным покрытием, полученным при а = 90° и 60°. При этих значениях а формировались покрытия соответственно с глобулярной и столбчатой структурой поверхности. Изображения характерных участков поверхности для данных видов YSZ-Pt кермета приведены на рис. 2.

Импеданс-спектры измерялись в диапазоне частот 0.1-65535 Гц с использованием приборов фирмы Solartron (FRA 1250, ECI 1286). Элементный состав исследуемых керметных покрытий определялся методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии на установке XSAM800 фирмы KRATOS. Обработка импеданс-спектров проводилась с помощью графического пакета Microcal Origin 6.1.

На рис. 3 отображена динамика изменения исходных импеданс-спектров и полученных на их основе спектров времен релаксации в результате прогрева при 750°С для образца с глобулярной структурой, а на рис. 4 - для образца со столбчатой структурой.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Полученные спектры времен релаксации демонстрируют, что на перенос заряда в исследуемых электрохимических ячейках преимущественно влияют два двойных электрических слоя, проявляющихся соответственно в низкочастотном и высокочастоном пиках на спектрах времен релаксации. Данные ДЭС по разному влияют на динамику поляризационного сопротивления электрохимических ячеек. Так, вклад в поляризационное сопротивление ячеек низкочастотного пика по ходу прогрева уменьшается, тогда как вклад

Рис. 2. Электронно-микроскопические фотографии изломов для:

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком