Sondering og kartlegging Elektrode Overflater i Solid Oxide Fuel Cells
Summary
Vi presenterer en unik plattform for å karakterisere elektrodeoverflater i fastoksid brenselceller (SOFCs) som tillater samtidig ytelse av flere karakterisering teknikker (<em> F.eks in situ</em> Raman-spektroskopi og scanning probe mikroskopi sammen elektrokjemiske målinger). Utfyllende informasjon fra disse analysene kan bidra til å avansere mot en dypere forståelse av elektroden reaksjon og degraderingsmekanismer, og gir innsikt i rasjonell utforming av bedre materialer for SOFCs.
Abstract
Fastoksid brenselceller (SOFCs) er potensielt den mest effektive og kostnadseffektive løsningen til utnyttelse av et bredt utvalg av brensel utover hydrogen 1-7. Utførelsen av SOFCs og satsene for mange kjemiske og energi endringsprosesser i energilagring og konvertering enheter generelt er begrenset først og fremst ved lading og massetransport langs elektrodeoverflater og på tvers grensesnitt. Dessverre er mekanistisk forståelse av disse prosessene fortsatt mangler, skyldes i stor grad det er vanskelig å karakterisere disse prosesser under in situ forhold. Denne kunnskapen gapet er en høvding hindring for SOFC kommersialisering. Utvikling av verktøy for sondering og kartlegging overflaten kjemi er relevante for elektrode reaksjoner er viktig å unraveling mekanismene for overflateprosesser og for å oppnå rasjonell utforming av nye elektrodematerialer for mer effektiv energilagring og konvertering to. Blant de relativt få in situ </ Em> overflaten analysemetoder, kan Raman spektroskopi utføres selv med høye temperaturer og tøffe atmosfærer, noe som gjør den ideell for å karakterisere kjemiske prosesser som er relevante for SOFC anode ytelse og nedbrytning 8-12. Det kan også brukes sammen med elektrokjemiske målinger, noe som muliggjør direkte korrelasjon mellom elektrokjemi å overflatekjemi i et operativsystem celle. Riktig in situ Raman kartlegging målinger ville være nyttig for pin-peker viktige anode reaksjonsmekanismer grunn av sin følsomhet overfor de aktuelle arter, inkludert anode ytelsen gjennom karbonavsetning 8, 10, 13, 14 ("coking") og svovel forgiftning 11, 15 og på hvilken måte overflaten modifikasjoner avverge denne degradering 16. Den nåværende arbeid viser betydelig fremgang mot denne evnen. I tillegg gir familien til scanning probe mikroskopi (SPM) teknikker en spesiell tilnærming til å avhøre elektrode overflate med nanoskala oppløsning. Foruten overflatetopografien som rutinemessig innsamlet av AFM og STM, kan andre egenskaper som lokale elektroniske stater, ion diffusjonskoeffisienten og overflate potensielle også undersøkes 17-22. I dette arbeidet ble det elektrokjemiske målinger, Raman spektroskopi, og SPM brukes i forbindelse med en ny test elektrode plattform som består av en Ni mesh elektrode innebygd i en yttria-stabilisert zirkonia (YSZ) elektrolytt. Cell ytelsestesting og impedansspektroskopi henhold drivstoff inneholdende H 2 S ble karakterisert, og Raman kartlegging ble brukt til ytterligere belyse naturen av svovel-forgiftning. In situ Raman overvåking ble brukt til å undersøke coking atferd. Endelig atomic force mikroskopi (AFM) og elektrostatisk kraft mikroskopi (EFM) ble brukt til å visualisere deponering på nanoskala. Fra denne forskningen, ønsker vi å gi et mer komplett bilde av SOFC anode.
Protocol
Representative Results
Discussion
Svovel Poisoning Analyse
Impedansen spektra vist i figur 5 antyder at svovel forgiftning er en overflate eller grenseflatespenning fenomen snarere enn en som påvirker hoveddelen av materialet. Spesifikt, kan rask forgiftning av Ni mesh elektroden (figur 6) som følge av direkte eksponering av Ni elektroden til brenngass og påfølgende svovel adsorpsjon; gass diffusjon ville ikke begrense hastigheten av denne prosessen så mye som i tilfelle av en tykk porøs …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av HeteroFoaM Center, en Energy Frontier Research Center finansiert av US Department of Energy, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences (BES) under Award Antall DE-SC0001061.
Materials
| Name of Reagent/Material | Company | Catalog Number | Comments |
| Nickel mesh | Alfa Aesar | CAS: 7440-02-0 | |
| Ni Foil | Alfa Aesar | CAS: 7440-02-0 | |
| YSZ powder | TOSOH | Lot No:S800888B | |
| Ag paste | Heraeus | C8710 | |
| Barium oxide | Sigma-Aldrich | 1304-28-5 | |
| Silver wire | Alfa Aesar | 7440-22-4 | |
| Acetone | VWR | 67-64-1 | |
| Ethanol | Alfa Aesar | 64-17-5 | |
| UHP H2 | Airgas | 99.999% purity | |
| 100 ppm H2S/H2 | Airgas | Certified custom mix | |
| n-type Si AFM tip | MikroMasch | NSC16 | 10 nm tip radius |
| Au coated AFM tip | MikroMasch | CSC11/Au/Cr | 20-30 nm tip radius |
| Raman Spectrometer | Renishaw | RM1000 | |
| Ar Ion laser | ModuLaser | StellarPro 150 | |
| He-Ne laser | Thorlabs | HPL170 | |
| Atomic Force Microscope | Veeco | Nanoscope IIIA | |
| Moving Raman Stage | Prior Scientific | H101RNSW | |
| Optical Microscope | Leica | DMLM | |
| Scanning Electron Microscope | LEO | 1550 | |
| Tube Furnace | Applied Test Systems | 2110 | |
| Polisher | Allied High Tech Products | MetPrep | |
| 6 μm Grinding media | Allied High Tech Products | 50-50040M | |
| 3 μm Polishing media | Allied High Tech Products | 90-30020 | |
| 1 μm Polishing media | Allied High Tech Products | 90-30015 | |
| 0.1 μm Polishing media | Allied High Tech Products | 90-32000 | |
| Raman chamber | Harrick Scientific | HTRC |
References
- Minh, N. Q. Solid oxide fuel cell technology-features and applications. Solid State Ionics. 174 (1-4), 271 (2004).
- Liu, M., Lynch, M. E., Blinn, K., Alamgir, F., Choi, Y. Rational SOFC material design: new advances and tools. Materials today. 14 (11), 534 (2011).
- Zhan, Z. L., Barnett, S. A. An octane-fueled solid oxide fuel cell. Science. 308, 844 (2005).
- Huang, Y. H., Dass, R. I., Xing, Z. L., Goodenough, J. B. Double perovskites as anode materials for solid oxide fuel cells. Science. 312, 254 (2006).
- Yang, L., Wang, S., Blinn, K., Liu, M., Liu, Z., Cheng, Z., Liu, M. Enhanced Sulfur and Coking Tolerance of a Mixed Ion Conductor for SOFCs: BaZr0.1Ce0.7Y0.2-xYbxO3-d. Science. 326, 126 (2009).
- Liu, M. F., Choi, Y. M., Yang, L., Blinn, K., Qin, W., Liu, P., Liu, M. L. Direct octane fuel cells: A promising power for transportation. Nano Energy. 1, 448 (2012).
- Cheng, Z., Wang, J. -. H., Choi, Y. M., Yang, L., Lin, M. C., Liu, M. From Ni-YSZ to sulfur-tolerant anodes for SOFCs: electrochemical behavior, in situ characterization, modeling, and future perspectives. Energy & Environmental Science. 4 (11), 4380 (2011).
- Blinn, K. S., Abernathy, H. W., Li, X., Liu, M. F., Liu, M. Raman spectroscopic monitoring of carbon deposition on hydrocarbon-fed solid oxide fuel cell anodes. Energy & Environmental Science. 5, 7913 (2012).
- Abernathy, H. W. . Investigations of Gas/Electrode Interactions in Solid Oxide Fuel Cells Using Vibrational Spectroscopy [dissertation]. , (2008).
- Pomfret, M. B., Owrutsky, J. C., Walker, R. A. High-temperature Raman spectroscopy of solid oxide fuel cell materials and processes. Journal of Physical Chemistry B. 110 (35), 17305 (2006).
- Cheng, Z., Liu, M. Characterization of sulfur poisoning of Ni-YSZ anodes for solid oxide fuel cells using in situ Raman microspectroscopy. Solid State Ionics. 178 (13-14), 925 (2007).
- Li, X., Blinn, K., Fang, Y., Liu, M., Mahmoud, M. A., Cheng, S., Bottomley, L. A., El-Sayed, M., Liu, M. Application of surface enhanced Raman spectroscopy to the study of SOFC electrode surfaces. Physical Chemistry Chemical Physics. 14, 5919 (2012).
- Dresselhaus, M. S., Jorio, A., Hofmann, M., Dresselhaus, G., Saito, R. Perspectives on Carbon Nanotubes and Graphene Raman Spectroscopy. Nano Letters. 10, 751 (2010).
- Su, C., Ran, R., Wang, W., Shao, Z. P. Coke formation and performance of an intermediate-temperature solid oxide fuel cell operating on dimethyl ether fuel. Journal of Power Sources. 196, 1967 (2011).
- Cheng, Z., Abernathy, H., Raman Liu, M. Spectroscopy of Nickel Sulfide Ni3S2. Journal of Physical Chemistry C. 111 (49), 17997 (2007).
- Yang, L., Choi, Y., Qin, W., Chen, H., Blinn, K., Liu, M., Liu, P., Bai, J., Tyson, T. A., Liu, M. Promotion of water-mediated carbon removal bynanostructured barium oxide/nickel interfaces in solid oxide fuel cells. Nature Communications. 2, 357 (2011).
- Kumar, A., Ciucci, F., Morzovska, A., Kalinin, S., Jesse, S. Measuring oxygen reduction/evolution reactions on the nanoscale. Nature Chemistry. 3, 707 (2011).
- Kumar, A., Arruda, T. M., Kim, Y., Ivanov, I. N., Jesse, S., Bark, C. W., Bristowe, N. C., Artacho, E., Littlewood, P. B., Eom, C. B., Kalinin, S. V. Probing Surface and Bulk Electrochemical Processes on the LaAlO3-SrTiO3 Interface. ACS Nano. 6 (5), 3841 (2012).
- Katsiev, K., Yildiz, B., Balasubramaniam, K., Salvador, P. A. Electron Tunneling Characteristics on La0.7Sr0.3MnO3 Thin-Film Surfaces at High Temperature. Applied Physics Letters. 95 (9), 092106 (2009).
- Jesse, S., Kumar, A., Arruda, T. M., Kim, Y., Kalinin, S. V., Ciucci, F. Electrochemical strain microscopy: Probing ionic and electrochemical phenomena in solids at the nanometer level. MRS Bulletin. 37 (7), 651-65 (2012).
- Datta, S. S., Strachan, D. R., Mele, E. J., Johnson, A. T. Surface Layers and Layer Charge Distributions in Few-Layer Graphene Films. Nano Letters. 9, 7 (2009).
- Coffey, D. C., Ginger, D. S. Time-resolved electrostatic force microscopy of polymer solar cells. Nature Materials. 5 (9), 735 (2006).
- Nakamura, M., Yamada, H., Morita, S. . Roadmap of Scanning Probe Microscopy. , (2007).
- Girard, P. Electrostatic force microscopy: principles and some applications to semiconductors. Nanotechnology. 12, 485 (2001).
- Rasmussen, J. F. B., Hagen, A. The effect of H2S on the performance of Ni-YSZ anodes in solid oxide fuel cells. Journal of Power Sources. 191 (2), 534 (2009).
- Zha, S. W., Cheng, Z., Liu, M. L. Sulfur poisoning and regeneration of Ni-based anodes in solid oxide fuel cells. Journal of The Electrochemical Society. 154 (2), B201 (2007).
- Liu, M. F., Ding, D., Blinn, K., Li, X., Nie, L., Liu, M. L. Enhanced performance of LSCF cathode through surface modification. International Journal of Hydrogen Energy. 37 (10), 8613 (2012).
- Park, H., Li, X., Blinn, K. S., Liu, M., Lai, S., Bottomley, L. A., Liu, M., Park, S. Probing coking resistance from nanoscale: a study of patterned BaO nanorings over nickel surface. , (2012).
