Zeitaufgelöste Untersuchungen der lokalen Protonen-Ströme von Nafion® unter Verwendung elektrochemischer Rasterkraftmikroskopie

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird die Methode der EC-AFM erweitert, um aus zeit- und ortsaufgelösten Strom-Transienten tiefere Einblicke vor allem in die Dynamik des Systems im Nanometerbereich zu erhalten. Hierzu wird die AFM-Spitze am Ausgang eines protonenleitfähigen Kanals einer Nafion®-Membran platziert und ein Spannungssprung angelegt. Die daraus resultierende Strom-Antwort spiegelt die Eigenschaften des Systems wider und wird durch elektrochemische Reaktionen, kapazitive Effekte und den Einfluss der Membran bestimmt. Die Interpretation der Strom-Zeit-Kurven erfolgt zunächst in der Zeit-Domäne. Mithilfe der Fourier-Transformation können die Strom-Zeit-Kurven und die Spannungs-Zeit-Kurven in die Frequenz-Domäne überführt werden. Hieraus wird anschließend die Möglichkeit untersucht das elektrochemische Impedanzspektrum des Systems zu berechnen, da dies die Differenzierung der verschiedenen Effekte im Frequenzraum ermöglichen kann.

The aim of this work was the extension of electrochemical atomic force microscopy by conducting spatially resolved chronoamperometric experiments on a Nafion® membrane in different gas atmospheres. Applying a Fourier-transformation to the obtained transients should permit the access to spatially resolved electrochemical impedance spectra. The feasibility of this technique is presented in this work based on a thorough characterization. Investigations of an electrolysis system in both a humidified hydrogen and a humidified oxygen atmosphere are discussed. Additionally, the system was extended to a galvanic cell formed by a hydrogen and an oxygen electrode.