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Accepted Manuscript

5

Figure 1.

 (PDM Reactions)

The physico-chemical basis of the PDM is shown in Figure 1.  Briefly, the model 

postulates that defect generation and annihilation reactions occur at the metal/barrier layer (m/bl) 

and the barrier layer/outer layer (bl/ol) interfaces and that these reactions essentially establish the 

point defect concentrations within the barrier layer.  Analytical expressions for the rate constants 

for the reactions, as derived by the method of partial charges, are summarized in Table 1.

Table 1.

 (Rate constants)

The electron current density, 

I

, which is sensed in an external circuit, is given by: 

7

0

5

4

3

2

1

)

(

)

(

)

(

k

C

k

k

k

k

C

k

F

I

i

L

v

(1)

where

L

C

  is  the  concentration  of  cation  vacancies  at  the  m/bl  interface  and 

0

i

C

  is  the 

concentration of cation interstitials at the bl/ol interface.  Note that Equation 1 does not depend 

upon the concentration of oxygen vacancies or upon the rate constant for Reaction (6), Figure 1.  

Thus, no relaxations in the impedance response involve oxygen vacancies, but this is essentially 

an  artifact  of  considering  Reaction  (3),  Figure  1,  to  be  irreversible.    If  this  reaction  was 

considered  to  be  reversible,  then  a  relaxation  involving  oxygen  vacancies  would  be  present.   

Furthermore,  the  concentration  of 

H

+

  is  considered  to  be  constant,  corresponding  to  a  well-

buffered solution, and is included in the definition of 

k

7

, as indicated in Equation 4.

Using the method of partial charges, the rate constants for the reactions are found to be of 

the form:

L

b

I

R

V

a

k

k

i

ol

i

i

i

)

(

exp

0

,   

i

 = 1, 2, 3   

(2)


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6

)

(

exp

0

I

R

V

a

k

k

ol

i

i

i

,    

i

 = 4, 5

(3)

and

n

0

H

H

ol

7

0

7

7

C

C

)

I

R

V

(

a

exp

k

k



(4)

where 

n

  is  the  kinetic  order  of  barrier  layer  dissolution  with  respect  to 

H

+

.    In  deriving  these 

expressions theoretically, it is assumed that a resistive outer layer, 

R

ol

, exists on the surface of the 

barrier  layer  and  that  the  passive  current  flows  through  the  barrier  layer  to  a  remote  cathode, 

which is the normal experimental configuration.  Because of this, the potential that exists at the 

bl/ol interface must be corrected from that applied at the reference electrode located at the outer 

layer/solution  interface  by  the  potential  drop  across  the  outer  layer,  where 

R

ol

  (Ω  cm

2

)  is  the 

specific resistance of the outer layer.  We recognize, however, that in the experiments reported in 

this paper, 

EDTA

 was added to the solution to suppress the formation of the outer layer, so that 

R

ol

 = 0

 and hence the impact of the outer layer is moot.  It is included in the theory reported here 

only for the sake of completeness.

Let  us  assume  that  the  applied  potential  changes  sinusoidally  around  some  mean  value 

(

V

)

 in accordance with Equation (5): 

t

j

Ve

V

V

V

V

(5)

where 

ω

 is an  angular frequency and 

V

 is the amplitude.  The bar over a letter refers to the 

corresponding  value  under  steady-state  conditions.    Accordingly,  in  the  linear  approximation 


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7

have the following response

j t

f

f

fe

  

, where 

f

 represents current density, 

I

, and values on 

which 

I

 depends, namely, 

L

0

i

C

,  

L

C

, and the various rate constants

.

Our task, then, is to calculate the faradic admittance, 

Y

F

, which is defined as:  

V

I

V

I

Z

Y

F

F

1

(6)

where 

Z

F

 is the faradic impedance.  Note that 

I

, is a function of the potential at the bl/ol interface 

(

U

), but the potential that is modulated is that at the outer layer/solution (ol/s) interface (

V

), or 

close  to  it,  depending  upon  the  exact  placement  of  the  tip  of  the  Luggin  probe.    The  two 

potentials are related by

I

R

V

U

ol

(7)

It is evident that,

ol

F

F

R

Y

Y

1

1

1

0

   or   

0

0

1

F

ol

F

F

Y

R

Y

Y

 (8)

where 

0

F

Y

  is  the  admittance  calculated  in  the  absence  of  the  outer  layer,  assuming  that  the 

potential at the bl/ol interface is 

U

under steady-state conditions.  We see that 

0

F

F

Y

Y

 as 

R

ol

→ 

0  and 

ol

F

R

Y

/

1

  for 

0

F

Y

; that is,  the interphasial impedance becomes controlled by the 

outer layer in the limit of an infinitely large outer layer specific resistance or an infinitely small 

barrier layer admittance.


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8

The values of 

U

 and other steady state values can be easily calculated.  Assuming some 

arbitrary  value  of 

U

,  we  can  immediately  calculate

i

k

i

  =  4,  5, 7 from Equations  (3) and (4). 

From the rate equation for the change in thickness of the barrier layer, which is written as

7

3

k

k

dt

dL

(9)

we have 

7

3

k

k

, i.e.



















n

H

H

SS

C

C

k

k

b

pH

b

C

C

U

b

a

a

L

0

0

3

0

7

3

3

3

7

3

3

7

ln

1

(10)

After that, the values 

i

k

(

i

 = 1, 2) can be calculated by using Equations (2).

The  values  of  the  steady-state  concentrations

0

i

C

  and 

L

C

    (concentrations  of  metal 

interstitials  at  the  bl/ol  interface  and  oxygen  vacancies  at  bl/ol  interface)  can  be  found  by 

equating the rates at each location to yield:

4

1

L

v

k

C

k

(11)

0

2

5

i

k

C

k

(12)

and

0

3

6

O

k

C

k

(13)


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9

respectively.  Equations (11) to (13) follows from the conditions that steady state fluxes of cation 

vacancies, cation interstitials, and oxygen vacancies, respectively, are constants (do not depend 

upon position inside the barrier layer).

Finally, we calculate the values of 

7

0

5

4

3

2

1

)

(

)

(

)

(

k

C

k

k

k

k

C

k

F

I

i

L

v

 (14)

and

I

R

U

V

ol

(15)

i.e. we calculate the dependence

)

(

V

I

.  As the actual value of 

U

, we will choose the value at 

which 

V

  equals  the  prescribed  value,  because  no  outer  layer  is  assumed  to  exist  in  the 

experiment.    Practically,  the  task  is  reduced  to  the  solution  of  the  single  equation 

)

(

U

I

R

U

V

ol

 relative to the unknown value 

U

(the voltage at the bl/ol interface).

We see that, if we have a code for calculating the admittance of the system in the absence 

of the outer layer, 

0

F

Y

, we can calculate the admittance in the presence of the outer layer, 

F

Y

, by 

using  Equation  (8),  assuming  that 

0

F

Y

  is  calculated  at  the  steady  state  applied  potential  that 

equals 

U

 (but not 

V

).  

2.1. Calculation of 

0

F

Y

.

As follows from Equation (1) we have in the linear form:

U

C

I

U

C

I

U

L

I

I

U

I

U

I

Y

i

i

L

v

L

v

L

U

F

0

0

0

 (16)