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Surface potentials of ceria and their influence on the surface exchange of oxygen

Wardenga, Hans Florian :
Surface potentials of ceria and their influence on the surface exchange of oxygen.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2019)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Surface potentials of ceria and their influence on the surface exchange of oxygen
Language: English
Abstract:

Cerium oxide is an important material for modern three-way catalysts for automotive exhaust emission control and an interesting candidate for the use in solid oxide fuel cells as electrode and electrolyte. For these application, the surface exchange of oxygen plays an important role as it is assumed, especially at lower temperatures, to be the limiting factor for the device performance. The transfer of electrons from the oxide to adsorbed oxygen molecules is often discussed to be rate determining for the oxygen incorporation. Based on this assumption, this thesis will investigate a possible direct relation between the surface exchange coefficient k and the electrochemical potential of electrons, i.e. the Fermi level, at the CeO2 surface. The absolute position of the Fermi level in reference to the vacuum energy is given by the work function of the material. Thus, following the hypothesis of this thesis, the work function of ceria should have a direct effect on the surface exchange coefficient.

This thesis constitutes a systematic investigation of the Fermi level, ionization potential and work function in dependence of surface orientation for acceptor-, donor- and undoped ceria thin films. The films, prepared by magnetron sputtering from ceramic targets, were analyzed using photoelectron spectroscopy. To obtain information about the crystal orientation of the films, X-ray diffraction was performed. In addition, oxygen tracer exchange experiments combined with secondary ion mass spectrometry and conductivity relaxation measurements were executed in collaboration with the IPC at RWTH Aachen for the purpose of determining the exchange and diffusion coefficients. From conductivity measurements at different temperatures and oxygen partial pressures the defect structure of CeO2 was investigated by comparing the measured conductivities with calculations from a point defect model.

While a direct correlation of the work function with oxygen exchange coefficient could not be shown with ceria as a model system, this thesis provides new insights to CeO2 surface potentials. Furthermore, it provides the first systematic study of these properties as a reference for other studies, where surface potentials of ceria are of importance.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Ceroxid ist ein wichtiges Material für moderne Drei-Wege-Katalysatoren für die automobile Abgasnachbehandlung und ein vielversprechender Kandidat als Elektrode und Elektrolyt für die Verwendung in Festoxid-Brennstoffzellen. Für diese Anwendungen spielt der Austausch von Sauerstoff an der Oberfläche des Materials eine entscheidende Rolle, da vermutet wird, dass der Sauerstoff-Austausch, insbesondere bei niedrigen Temperaturen, der limitierende Faktor für die Bauteil Leistung ist. Der Elektronentransfer vom Oxid zu adsorbierten Sauerstoffmolekülen wird häufig als ratenbestimmend für den Einbau von Sauerstoff angenommen. Auf Grundlage dieser Annahme wird diese Arbeit einen möglichen direkten Zusammenhang zwischen dem Austauschkoeffizienten k und dem elektrochemischen Potential der Elektronen, dem Fermi Level, an der CeO2 Oberfläche untersuchen. Die absolute Position des Fermi Levels in Relation zur Vakuumenergie ist durch die Austrittsarbeit des Materials gegeben. Der Hypothese dieser Arbeit folgend, sollte daher die Austrittsarbeit von Ceroxid einen direkten Effekt auf den Sauerstoff-Austauschkoeffizient an der Oberfläche haben. Diese Arbeit stellt eine systematische Untersuchung des Fermi Levels, Ionisationspotentials und der Austrittsarbeit in Abhängigkeit der Oberflächenorientierung von Akzeptor-, Donator und undotierten Ceroxid Dünnschichten. Die Schichten, welche durch Magnetron-Kathodenzerstäubung von keramischen Targets hergestellt wurden, wurden mittels Photoelektronen-Spektroskopie analysiert. Um Informationen über die kristallographische Orientierung der Schichten zu erlangen, wurden Röntgenbeugungs-Messungen durchgeführt. Zusätzlich wurden Sauerstoff-Tracer Austausch-Experimente in Kombination mit Sekundärionen-Massenspektrometrie und Leitfähigkeits-Relaxations Messungen, in Kollaboration mit dem IPC an der RWTH Aachen, durchgeführt um Austausch- und Diffusionskoeffizienten zu bestimmen. Durch Leitfähigkeits-Messungen bei verschiedenen Temperaturen und Sauerstoff-Partialdrücken wurde die Defektstruktur von CeO2 untersucht, indem die gemessenen Leitfähigkeiten mit Berechnungen aus einem Punktdefekt-Model verglichen wurden. Obwohl eine direkte Korrelation zwischen Austrittsarbeit und Sauerstoff-Austauschkoeffizient mit Ceroxid als Modellsystem nicht gezeigt werden konnte, bietet diese Arbeit neue Erkenntnisse zu CeO2 Oberflächenpotentialen. Desweiteren stellt diese Arbeit die erste systematische Studie dieser Eigenschaften als eine Referenz für andere Forschungsfelder, in denen die Oberflächenpotentiale von Ceroxid von Bedeutung sind.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Electronic Structure of Materials (ESM)
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Surface Science
Date Deposited: 30 Aug 2019 13:52
Last Modified: 30 Aug 2019 13:52
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-89693
Referees: Klein, Prof. Dr. Andreas and Ensinger, Prof. Dr. Wolfgang
Refereed: 12 July 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/8969
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