Aziz, Carlos: Abscheidung und Passivierung von Zinn-Nickel-Schichten als Korrosionsschutz für Bipolarplatten in PEM-Elektrolyseuren

Abstract in Deutsch:

Die Oberflächenqualität und Homogenität von Zinn-Nickel-Schicht auf 1.4404 Edelstahl verbesserte sich durch die Änderung der Abscheidungsparameter bei Vorvernicklung (Nicke-Strike) (Unterkapitel 4.1). Oberflächenanalysen mittels LSM zeigten, dass die mittlere und maximale Rautiefe der SnNi-Schichten vermindert wurde. Außerdem entsprachen die ermittlten Messdaten der tatsächlichen Oberfläche fast der theoretischen Oberfläche aufgrund weniger Spitzen und Täler. Dies wurde durch Lichtmikroskopie nachgewiesen, bei der deutlich wurde, dass morphologische Defekte wie Risse und Krater nicht mehr vorhanden sind (Unterkapitel 5.2). Die Abscheidung von 10 µm Zinn-Nickel auf Nickel-Strike erfolgte auf zwei Stromarten: Mit Gleichstrom und Pulsstrom bei einer Temperatur von 60° C bzw. 40° C. Ein Nachteil war, dass die Pulsstromabscheidung von SnNi bis zu 3 Stunden für 10 µm Dicke dauert. Die PP-Abscheidungszeit könnte durch die Anpassung der Parameter im Pulsstrom-Zeit-Profil optimiert werden. Die erhaltenen KLM- und AFM-Bilder zeigten, dass die PP-SnNi-Oberfläche feinere und kleinere Körner aufwies. Im Gegensatz dazu wies das DC-SnNi größere und gröbere Körner auf (Unterkapitel 5.4). Die Oxidbildung von SnNi-Proben wurde durch Wärmebehandlung und elektrochemische Passivierung erreicht. Bei der Wärmebehandlung wurden die SnNi-Proben im Ofen bei einer Temperatur von 300° C für 20 min erhitzt. Das Aussehen der SnNi-Oberfläche hat sich nach der Behandlung verdunkelt. Die Vorversuche wurden durchgeführt, indem die SnNi-Probe 3 Tage lang in eine 0,5 M Na2SO4-Lösung getaucht wurde. Was dazu führte, dass eine dünne blaue Oxidschicht mit braunen Flecken auf der Oberfläche des SnNi erschien. Die SnNi-Oxidbildung wurde elektrochemisch durch Passivierung der Oberfläche in alkalischer Lösung (1 M NaOH) in Gegenwart von 0,25 M Natriumsulfat beschleunigt. Nach 20 Zyklen bildete sich ein dünne feine Kristalle braune Oxidschicht. Ab 44 Zyklen erschien eine groben Kristtalitte blaue Oxidschicht über der braunen Schicht (Unterkapitel 4.4). Die XRD-Analyse zeigte, dass die Zusammensetzung der passivierten Schichten aller Proben aus gemischten SnNi-Oxiden besteht. Es liegen vermutlich Oxide in Form von NiOx, SnO2, SnO, Sn3O4 vor (Unterkapitel 5.7). In weiterführenden Versuchen könnte die genaue Zusammensetzung mittels XPS-Analyse ermittelt werden. Mittels FIB und REM-Analyse war es möglich, die Oxiddicke zu messen. Die warmbehandeltes-SnNi, Braunoxid-SnNi und Blauoxid-SnNi hatten eine Oxiddicke von 45 nm, 60 nm bzw. 80 nm (Unterkapitel 5.6)Vierpunkt-Widerstandsmessungen zeigen dass die Bildung von Oxiden auf der Oberfläche von SnNi den Schichtwiderstand und die elektrische Leitfähigkeit negativ beeinflusst. Dies sollte später in Betracht gezogen werden, ob sich dies auf die Leistung von PEM negativ auswirken wird. Die kombinierte EIS- und FIB-Analyse ermöglichte es, die Dielektrizitätskonstante von SnNi-Oxid näherungsweise zu bestimmen. Mit Hilfe der Plattenkondensator-Gleichung wurde die Dielektrizitätskonstante der einzelnen SnNi-Oxid berechnet (Unterkapitel 8.2). Die anodische Polarisation bei 2 V in Schwefelsäure (pH 3) zeigte, dass sowohl die warmbehandelte SnNi-Probe als auch das SnNi mit braunem Oxid einer 2-stündigen Polarisation standhalten konnten. Darüber hinaus wurden beide Proben einer weiteren zweistündigen anodischen Polarisation unterzogen, wobei beide nach 15 min versagten und sich auflösten. SnNi mit blauem Oxid war weitestgehend stabil, allerdings änderte sich die Farbe der Oberfläche und die Probe wurde durch Korrosion des Substratsan den Kanten beschädigt. Im Hinblick auf die Verbesserung der Stabilität der SnNi-Oxidschichten während der anodischen Polarisation könnte versucht werden, dünne SnNi-Schichten etwa 5 µm auf dem Substrat abzuscheiden. Dies könnte die inneren Spannungen der SnNi-Schichten schlecht erhöhen, jedoch durch Wärmebehandlung oder elektrochemische Oxidbildung behoben und verringert werden könnte. Die Verwendung eines Mehrschichtsystems aus blauen SnNi-Oxiden und braunen Oxiden mit Wärmebehandlung kann ebenfalls zur Verbesserung der Stabilität beitragen. Elektrochemische Passivierung der SnNi-Oberfläche in saurem Medium in Gegenwart von Natriummolybat könnte ebenfalls eine dünne Oxidschicht erzeugen. Molybat-Ionen können auch auf der SnNi-Oberfläche eindringen und die Korrosionsbeständigkeit erhöhen. Zur weiteren Untersuchung der Korrosionsbeständigkeit sollte die Wärmbehandlung von SnNi unter Variation von Zeit- und Temperatur erfolgen. Weiterhin sollte die Wärmbehandlung und die elektrochemische Passivierung von PP-SnNi in Natriumsulfat in Betracht gezogen werden, um eine höhere Stabilität zu erreichen.