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Composition and chemistry of Pd-Ni-Co thin film alloys for hydrogen related applications
Kühn, Julius
The discovery and design of high performance Pd-alloys is of great interest for the use of hydrogen as a future energy carrier. Therefore hydrogen has to be detected, separated from other gases and stored. In this respect this thesis presents the combinatorial synthesis and characterization of the ternary Pd-Ni-Co alloy system over a wide composition range based on so-called thin film alloy libraries. Those
libraries are model systems to characterize a large number of alloy compositions at the same time. The sputter-deposition process is optimized for the gradient of the Pd concentration on the surface of the alloy library by the use of electron-excited Auger electron spectroscopy. The scientific goal of this work is the experimental investigation of adsorbate-induced surface segregation phenomena on alloy libraries.
The surface and bulk compositions of an alloy library are studied after deposition, hydrogen exposure and hydrogen sulfide poisoning. The co-segregation of Ni and Co to the surface is observed. The segregation process is influenced by the oxidation of Ni and Co due to the contact with ambient air, by hydrogen and by hydrogen sulfide poisoning. Also at very high Pd concentrations in the range of 87 at.% to 97 at.%, which is interesting for the detection of very low hydrogen concentrations in air, the co-segregation of Ni and Co takes
place. The poisoning effects were investigated in detail on a pre-selected Pd-Ni-Co alloy by photoelectron spectroscopy (XPS, HAXPES) in addition to AES and EDX. The composition profile of the alloy on the nm scale is acquired and the surface and bulk chemistry is discussed before and after poisoning. The composition of the alloy only changed within the first 3 nm due to hydrogen sulfide exposure. In the ternary Pd-Ni-Co alloy system Pd is present in its metallic state, while Ni and Co show several oxidation states. The presented concepts of ternary alloy development pave the way for the systematic synthesis and characterization of new ternary transition metal alloy systems.
Die Entwicklung leistungsfähiger Pd-Legierungen ist von großem Interesse für den Einsatz von Wasserstoff als Energieträger der Zukunft. Dafür muss Wasserstoff detektiert, von anderen Gasen getrennt und gespeichert werden. In diesem Zusammenhang
verfolgt diese Arbeit die kombinatorische Synthese und Charakterisierung
des ternären Pd-Ni-Co Legierungssystems über einen weiten Konzentrationsbereich basierend auf sogenannten Legierungsbibliotheken. Solche Bibliotheken dienen als
Modellsysteme um möglichst viele Legierungskompositionen gleichzeitig zu charakterisieren. Der Herstellungsprozess ist mit Hilfe der elektronenangeregten Auger-Elektronspektroskopie hinsichtlich des Gradienten der Palladium-Konzentration an der Oberfläche der Legierungsbibliothek optimiert worden. Ein weiteres Ziel dieser
Arbeit bestand darin, adsorbat-induzierte Oberflächensegregationsphänomene an diesen Legierungsbibliotheken experimentell zu untersuchen. Die Zusammensetzung
der Legierungsbibliotheken wurde an der Oberfläche und im Volumen nach der Herstellung, nach der Behandlung mit Wasserstoff und nach der Vergiftung mit Schwefelwasserstoff untersucht.
Die Segregation von Ni und Co zur Oberfläche wurde über den gesamten untersuchten Konzentrationsbereich beobachtet. Der Oberflächensegregationsprozess wird durch Wasserstoff und Schwefelwasserstoff beeinflusst und hängt mit der Oxidation
von Ni und Co durch Luftsauerstoff zusammen. Auch bei sehr hohen Pd
Konzentrationen zwischen 87 at.% und 97 at.%, interessant für die Wasserstoffdetektion an Luft, ließ sich die Segregation von Ni und Co beobachten. Ein besonderes Augenmerk lag auf der Vergiftung einer vorausgewählten Pd-Ni-Co Legierung. Diese wurde zusätzlich zu AES und EDX mit Methoden der Photoelektronenspektroskopie
(XPS, HAXPES) untersucht. Das tiefenabhängige Zusammensetzungsprofil der Legierung vor und nach der Vergiftung konnte so aufgenommen und ein Einblick in die Oberflächen- und Volumenchemie des Systems gewonnen werden. Die
Vergiftung veränderte die Legierungskomposition nur innerhalb der ersten 3 nm. Die gezielte Methodenkombination in dieser Arbeit ermöglicht eine umfassende und zerstörungsfreie Charakterisierung von ternären Legierungsbibliotheken und die Untersuchung
von Oberflächensegregationsphänomenen.
