مقالة منهجية

تصنيع درجة الحرارة عالية من ذات البنية النانومترية اليتريا-استقرت-زركونيا (YSZ) السقالات من قبل في الموقع الكربون النموذجيه Xerogels

DOI:

10.3791/55500

⸱

أبريل 16, 2017

 ,  , 
1Department of Chemistry, Wake Forest University, 2Center for Energy, Environment, and Sustainability, Wake Forest University

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ويرد بروتوكول لافتعال التي يسهل اختراقها، السقالات ذات البنية النانومترية استقرت اليتريا زركونيا (YSZ) في درجات حرارة تتراوح بين 1000 درجة مئوية و 1400 درجة مئوية.

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ونحن لشرح طريقة لتصنيع درجة حرارة عالية من مسامية، ذات البنية النانومترية استقرت اليتريا زركونيا (YSZ، 8٪ مول اليتريا - 92٪ مول زركونيا) السقالات مع مساحات محددة الانضباطي لغاية 80 م 2 · ز -1. محلول مائي من الملح الزركونيوم والملح الإيتريوم، والجلوكوز هو مختلطة مع أكسيد البروبيلين (PO) لتشكيل مادة هلامية. تجفف هلام في ظل الظروف المحيطة لتشكيل هلامة جافة. يتم الضغط على هلامة جافة في الكريات ثم متكلس في جو الأرجون. خلال تلبد، وYSZ أشكال المرحلة السيراميك والمكونات العضوية تتحلل، تاركة وراءها الكربون غير المتبلور. الكربون شكلت في الموقع بمثابة القالب الصلب، والحفاظ على ارتفاع سطح منطقة YSZ nanomorphology في تلبد درجة الحرارة. تتم إزالة الكربون في وقت لاحق عن طريق الأكسدة في الهواء عند درجة حرارة منخفضة، مما أدى إلى مسامية، سقالة ذات البنية النانومترية YSZ. تركيز القالب الكربون ومساحة سقالة النهائية يمكن أن يكون نظاميةضبطها لاي من خلال تغيير تركيز الجلوكوز في تركيب الجل. وكان كميا تركيز قالب الكربون باستخدام التحليل الوزني الحراري (TGA)، تقرر توزيع مساحة وحجم المسام من القياسات الامتزاز المادية، واتسم التشكل باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM). تم تحديد نقاء المرحلة وحجم معدن دقيق باستخدام حيود الأشعة السينية (XRD). ويوفر هذا النهج تلفيق رواية، منصة مرنة لتحقيق المساحات السطحية سقالة غير مسبوقة وnanomorphologies لتطبيقات تحويل الطاقة الكهروكيميائية استنادا السيراميك، مثل خلايا الوقود الصلبة أكسيد (SOFC) الأقطاب.

المقدمة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

خلية وقود الأكسيد الصلبة (SOFC) يحمل وعودا كبيرة باعتبارها تكنولوجيا تحويل الطاقة البديلة لتوليد كفاءة الطاقة الكهربائية النظيفة. أحرز 1 تقدم كبير في مجال البحث والتطوير لهذه التكنولوجيا. ومع ذلك، لا تزال هناك حاجة تحسينات في الأداء الكهربائي لتحقيق تسويق موثوق بها. غالبا ما يتكون القطب سقالة السيراميك التي يسهل اختراقها مع جزيئات electrocatalytic مزينة على سطح سقالة. وقد ركزت مجموعة كبيرة من الأبحاث على زيادة المساحة السطحية للجسيمات electrocatalytic لرفع مستوى الأداء، 2، 3، 4، 5، 6، 7، 8 ولكن هناك القليل جدا من البحوث على زيادة مساحة سطح سقالة. زيادة سطح سقالةالمنطقة الصعبة لأنها متكلس في درجات حرارة عالية، 1100 درجة مئوية إلى 1500 درجة مئوية.

السقالات معالجتها بواسطة تلبد التقليدية وعادة ما يكون مساحة محددة من 0،1-1 م 2 · ز -1. 8، 9، 10، 11 هناك عدد قليل من التقارير عن زيادة مساحة سطح سقالة. وفي إحدى الحالات، تم تعزيز مساحة سقالة متكلس تقليديا حل وهطول الأمطار من سطح سقالة باستخدام حمض الهيدروفلوريك، وتحقيق مساحة محددة من 2 م 2 · ز -1. 12 في بلد آخر، وتجنب درجات الحرارة المرتفعة تماما باستخدام ترسب الليزر النبضي، وتحقيق مساحة محددة من 20 م 2 · ز -1. وكان 13 والأساس المنطقي وراء تطوير تقنية لدينا لخلق تصنيع منخفض التكلفةالعملية التي توفر مساحات سقالة غير مسبوقة ويستخدم درجات الحرارة تلبد التقليدية بحيث أن عملية يمكن تبنيها بسهولة. مع ذكرت وتقنية هنا، والمناطق سطح سقالة ما يصل الى 80 م 2 · ز -1 قد أثبت في حين يجري معالجتها في درجات الحرارة تلبد التقليدية. 14

والدافع وراء بحثنا في المقام الأول عن طريق الهندسة القطب SOFC، ولكن الأسلوب هو أكثر قابلية للتطبيق نطاق واسع لحقول وغيرها من التطبيقات. عموما، وفي الموقع طريقة النموذجيه الكربون هو نهج مرن التي يمكن أن تنتج ذات البنية النانومترية، مساحة عالية مختلط المعادن مواد السيراميك في شكل مسحوق أو السقالة التي يسهل اختراقها. أنها مرنة في أن تشكيل مختلط المعدنية الخزفية، مساحة السطح، المسامية، وحجم المسام يمكن لجميع ضبطها بشكل منهجي. وغالبا ما يحتاج درجات حرارة عالية لتشكل المرحلة المطلوبة في السيراميك مختلط المعادن، وهذا النهج يحفظ nanomorphology السيراميك ثhile يسمح احد لاختيار أساسا أي درجة حرارة المعالجة.

تتضمن هذه الطريقة تركيب هلام أساس البروبيلين-أكسيد غير العضوية، العضوية المختلطة، مع تحديد جيدا رياضيات الكيمياء من ايونات المعادن ونسبة غير العضوية إلى المحتوى العضوي. تجفف هلام في ظل الظروف المحيطة لتشكيل هلامة جافة. ومتكلس في هلامة جافة في جو الأرجون في درجة الحرارة المطلوبة. عند التسخين، والمكونات العضوية تتحلل تاركا وراءه قالب الكربون في الموقع، والتي لا تزال لمدة تلبد. تتم إزالة القالب الكربون في وقت لاحق من انخفاض أكسدة درجة الحرارة في الهواء، مما أدى إلى ذات البنية النانومترية، وارتفاع سطح منطقة السيراميك.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. إعداد الكريات هلامة جافة

  1. جل التجميعي
    1. إضافة 25 مم شريط مغناطيسي و 113 مل من الماء منزوع الأيونات إلى 500 مل دورق. اثارة مغناطيسيا الماء منزوع الأيونات على أعلى معدل لا تشكل دوامة.
    2. إضافة ببطء 13.05 غرام (0.056 مول) من كلوريد الزركونيوم اللامائية إلى الماء منزوع الأيونات في زيادات صغيرة. بعد كل من كلوريد الزركونيوم اللامائية قد حلت، إضافة 53.29 غرام (0.296 مول) من الجلوكوز إلى الحل.
    3. بعد كل من الجلوكوز قد حلت في الحل، إضافة 3،73 ز (0.01 مول) من هيدرات نترات الإيتريوم إلى الحل. زيادة معدل التحريك المغناطيسي ل~ 700 دورة في الدقيقة وانتظر كل من هيدرات نترات الإيتريوم لتذوب في الحل.
    4. إضافة 42 مل من أكسيد البروبيلين إلى الحل. تواصل اثارة في ~ 700 دورة في الدقيقة لأكسيد البروبيلين لخلط مع محلول مائي. بمجرد أن يتم خلط أكسيد البروبيلين مع محلول مائي (~ 10 ثانية)، وانخفاض ر اثارة المغناطيسيس ~ 150 دورة في الدقيقة.
    5. يستمر التقليب حتى توقف شريط مغناطيسي تتحرك بسبب تشكيل هلام. هلام يشكل عادة في غضون 3 دقائق.
      NOTES: إضافة كلوريد الزركونيوم اللامائية إلى الماء منزوع الأيونات هو تفاعل طارد للحرارة العالية وسوف كلوريد الزركونيوم اللامائية بلوم إذا يتم إضافته بسرعة كبيرة جدا.
      صياغة المنصوص عليها في القسم 1.1. يتوافق مع الجلوكوز إلى إجمالي المعادن (الزركونيوم + الإيتريوم) نسبة المولي 4.5: 1. يتضمن قسم النتائج تمثيلي البيانات لالجلوكوز إلى إجمالي نسب المعادن المولي 0: 1، 2.25: 1 و 4.5: 1. كمية الجلوكوز في صياغة محدود فقط من ذوبان السكر في الحل. للإشارة، فإن الذوبان الحد الأقصى لنسبة الجلوكوز في الماء عند 20 ° C هو 47.8٪ بالوزن. 15
  2. الشيخوخة وغسل جل
    1. وتغطي بإحكام الكأس التي تحتوي على هلام مع بارافيلم والسماح لها عمر لمدة 24 ساعة من خلال ترك الدورق مغطاة في درجة حرارة الغرفة.
    2. إزالة الغطاء من كوب وصب السائل على الجزء العلوي من هلام.
    3. إضافة 300 مل من الايثانول المطلق إلى الكأس التي تحتوي على هلام، وتغطي بإحكام الكأس مع بارافيلم، وترك الكأس مغطاة في درجة حرارة الغرفة لمدة 24 ساعة.
    4. كرر الخطوة 1.2.3 مرتين أخريين ليصبح المجموع ثلاث غسل الإيثانول على مدى فترة إجمالية قدرها 72 ساعة.
  3. تجفيف جل في هلامة جافة
    1. إزالة هلام من الكأس ووضعه في 2 L الخزف تبخر طبق (24 سم خارج القطر العلوي) باستخدام ملعقة مختبر.
    2. كسر هلام إلى حوالي 1 سم × 1 سم القطع مع ملعقة وانتشرت قطع على سطح الطبق تبخر.
    3. دع القطع هلام الجافة في ظل الظروف المحيطة لمدة أسبوع أو حتى هلام جاف. ويعتبر هلام الجافة عندما يمكن أن تكون الأرض إلى مسحوق ناعم.
    4. تطحن كل من هلامة جافة إلى مسحوق ناعم مع هاون ومدقة.
      ملاحظة: مرة واحدة في هلام جاف، هويعتبر هلامة جافة لأنه تم تجفيفها في ظل الظروف المحيطة.
  4. الضغط على هلامة جافة إلى بيليه
    1. ضع 1 غرام من مسحوق هلامة جافة في الصحافة يموت بيليه اسطواني بقطر 13 ملم.
    2. باستخدام الضغط الهيدروليكي، وتطبيق 22 كيلو نيوتن القوة لمدة 90 ق للضغط على هلام هلامة جافة إلى بيليه.
    3. الافراج عن ببطء القوة المطبقة من قبل الصحافة. ببطء إخراج بيليه من يموت بيليه ثم إزالة بعناية بيليه.

2. تلبد من هلامة جافة بيليه في جو خامل

  1. وضع بيليه هلامة جافة على والألومينا أو استقرت اليتريا لوحة زركونيا وتحميل لوحة في وسط الفرن أنبوب.
  2. تدفق الأرجون بمعدل ثلث حجم الأنبوب تعمل في الدقيقة الواحدة. وهذا يتوافق مع معدل تدفق الأرجون 750 مل · دقيقة -1 لأنبوب العمل المستخدمة في هذا العمل. تنفيس منفذ الغاز إلى غطاء الدخان.
  3. تدفق الأرجون لمدة 15 دقيقة على الأقل بefore بدأت حرارة الفرن أنبوب.
  4. بينما يتدفق باستمرار الأرجون بمعدل ثابت، برنامج تحكم في درجة الحرارة أنبوب الفرن لجدول التدفئة التالية:
    1. عقد في درجة حرارة الغرفة لمدة 15 دقيقة.
    2. الحرارة إلى 850 درجة مئوية بمعدل المنحدر من 5 ° C · دقيقة -1.
    3. الحرارة إلى درجة حرارة التلبيد المطلوب بمعدل المنحدر من 2 ° C · دقيقة -1.
    4. عقد في درجة الحرارة تلبد المطلوب لمدة 2 ساعة.
    5. بارد إلى 850 درجة مئوية بمعدل المنحدر من 2 ° C · دقيقة -1.
    6. بارد لدرجة حرارة الغرفة بمعدل المنحدر من 5 ° C · دقيقة -1.
  5. بدء تشغيل البرنامج ثم انقر نقرا مزدوجا الاختيار الفرن أنبوب تحتدم بعد الجدول الزمني المنصوص عليه في المادة 2.3.
  6. إزالة بيليه من الفرن أنبوب بعد اكتمال برنامج التدفئة.

3. تحديد تركيز قالب الكربون

  1. قطع ~ 50 ملغ قطعة منمتكلس هلامة جافة بيليه بسكين فائدة وطحن الى مسحوق ناعم مع هاون ومدقة العقيق.
  2. مكان ~ 50 ملغ من مسحوق ناعم إلى عينة كوب الألومينا عن التحليل الوزني الحراري.
  3. باستخدام محلل الثقل النوعي الحراري (TGA)، تسخين العينة بمعدل 10 ° C · دقيقة -1 من درجة حرارة الغرفة إلى 1200 درجة مئوية في حين يتدفق الهواء فوق العينة بمعدل 100 مل · دقيقة -1.
  4. حساب نسبة التغير في الوزن الذي يحدث بين ~ 350 ° C و~ 700 ° C. هذا الوزن في المئة يتوافق مع محتوى الكربون الكلية في العينة.
    ملاحظة: في حالة حدوث زيادة الوزن في 350 درجة مئوية إلى 700 درجة مئوية مجموعة، شكلت مرحلة كربيد وحساب محتوى الكربون هو أكثر تعقيدا. لهذه الحالة، يرجى الرجوع إلى الحسابات الموضحة في الأدب. وقد استخدم 14 تحليل العناصر الكربون لتأكيد يمكن أن تحسب أن محتوى الكربون من قياسات TGA.

4. إعداد السطح عالية منطقة YSZ سقالة من إزالة قالب الكربون

  1. وضع بيليه هلامة جافة متكلس في بوتقة الألومينا.
  2. وضع البوتقة في فرن مربع في 700 درجة مئوية لمدة 2 ساعة.
  3. إزالة بعناية بوتقة الساخنة من الفرن مربع مع الفولاذ المقاوم للصدأ ملقط بوتقة والسماح لتبرد إلى درجة حرارة الغرفة لمدة ساعة واحدة قبل إزالة مسامية والأبيض YSZ سقالة.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وأكد نقاء المرحلة التي حيود الأشعة السينية (XRD) كما ذكر سابقا من قبل كوتام وآخرون. يتم عرض 14 YSZ سقالة مساحة محددة بوصفها وظيفة من تركيز قالب الكربون في الشكل 1. يظهر تركيز حيث بلغ حجم في المئة من إجمالي المواد الصلبة في بيليه هلامة جافة متكلس. تركيز قالب الكربون يزيد بشكل منتظم مع زيادة تركيز الجلوكوز في صياغة هلام. كما هو مبين في الشكل 1، ومساحة محددة يزيد بشكل منهجي من 10 م

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

مع هذا النهج النموذجيه الكربون في الموقع، يمكن للمرء أن خلق والحفاظ على nanomorphology في مختلط المعادن أكاسيد في درجات حرارة سقالة تلبد التقليدية السيراميك. المناطق السطحية الناتجة إلى 80 مرات حتى أعلى من السقالات متكلس تقليديا ويصل إلى 4 أضعاف السقالات ملفقة من قبل تقنيات ترسب المعقدة. 14 أكسيد الجلوكوز نظام هلام البروبيلين هو درجة عالية من المرونة لضبط تركيز القالب الكربون، مما يسمح واحد للتحكم بشكل منهجي تركيز قالب الكربون بين 10 المجلد٪ الكربو...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ليس لدينا شيء في الكشف عنها.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وأيد هذا العمل من قبل ويك فوريست قسم الكيمياء ومركز فورست لشؤون الطاقة والبيئة ويك، والاستدامة (سيس). نشكر تشارلز موني ومرفق تحليلية الأجهزة من جامعة ولاية كارولينا الشمالية للمساعدة مع التصوير SEM.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
كلوريد الزركونيوم (IV) ، 99.5 + ٪Alfa Aesar12104سداسي
ديدرات نترات الإيتيوم (III) الحساسة للهواء ، 99.9٪Alfa Aesar12898مؤكسد
D + الجلوكوز اللامائي ، & ge ؛ 99.5٪علوم الحياة البيولوجية الأمريكيةG3050
(±)- أكسيد البروبيلين ، & 99٪سيجما ألدريتش110205القابل للاشتعال
للغاية 200 مختبراتديكون المقاومة للشركة.2716GEA
Argon, 99.997٪AirgasAR 300الصف الصناعي
الإيثانول

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Badwal, S. P. S., Giddey, S. S., Munnings, C., Bhatt, A. I., Hollenkamp, A. F. Emerging electrochemical energy conversion and storage technologies. Front. Chem. 2 (79), 1-28 (2014).
  2. Gross, M. D., Vohs, J. M., Gorte, R. J. An examination of SOFC anode functional layers based on ceria in YSZ. J. Electrochem. Soc. 154 (7), B694-B699 (2007).
  3. Smith, B. H., Gross, M. D. A highly conductive oxide anode for solid oxide fuel cells. Electrochem. Solid-State Lett. 14 (1), B1-B5 (2011).
  4. Vo, N. M., Gross, M. D. The effect of vanadium deficiency on the stability of Pd and Pt catalysts in lanthanum strontium vanadate solid oxide fuel cell anodes. J. Electrochem. Soc. 159 (5), B641-B646 (2012).
  5. Sholklapper, T. Z., Jacobson, C. P., Visco, S. J., De Jonghe, L. C. Synthesis of dispersed and contiguous nanoparticles in solid oxide fuel cell electrodes. Fuel Cells. 8 (5), 303-312 (2008).
  6. Jiang, Z., Xia, C., Chen, F. Nano-structured composite cathodes for intermediate-temperature solid oxide fuel cells via an infiltration/impregnation technique. Electrochim. Acta. 55 (11), 3595-3605 (2010).
  7. Zhan, Z., Bierschenk, D. M., Cronin, J. S., Barnett, S. A. A reduced temperature solid oxide fuel cell with nanostructured anodes. Energy Environ. Sci. 4, 3951-3954 (2011).
  8. Gross, M. D., Vohs, J. M., Gorte, R. J. Recent progress in SOFC anodes for direct utilization of hydrocarbons. J. Mater. Chem. 17, 3071-3077 (2007).
  9. Gross, M. D., Carver, K. M., Deighan, M. A., Schenkel, A., Smith, B. M., Yee, A. Z. Redox stability of SrNbxTi1-xO3-YSZ for use in SOFC anodes. J. Electrochem. Soc. 156 (4), B540-B545 (2009).
  10. Savaniu, C. D., Irvine, J. T. S. La-doped SrTiO3 as anode material for IT-SOFC. Solid State Ionics. 192 (1), 491-493 (2011).
  11. Choi, S., Shin, J., Kim, G. The electrochemical and thermodynamic characterization of PrBaCo2-xFexO5+δ (x=0,0.5,1) infiltrated into yttria-stabilized zirconia scaffold as cathodes for solid oxide fuel cells. J. Power Sources. 201, 10-17 (2012).
  12. Kungas, R., Kim, J. S., Vohs, J. M., Gorte, R. J. Restructuring porous YSZ by treatment in hydrofluoric acid for use in SOFC cathodes. J. Am. Ceram. Soc. 94 (7), 2220-2224 (2011).
  13. Jung, W., Dereux, J. O., Chueh, W. C., Hao, Y., Haile, S. M. High electrode activity of nanostructured, columnar ceria films for solid oxide fuel cells. Energy Environ. Sci. 5, 8682-8689 (2012).
  14. Cottam, M., Muhoza, S., Gross, M. D. Preserving nanomorphology in YSZ scaffolds at high temperatures via in situ carbon templating of hybrid materials. J. Amer. Ceram. Soc. 99 (8), 2625-2631 (2016).
  15. Alves, L. A., Silva, J. B. A., Giulietti, M. Solubility of D-Glucose in Water and Ethanol/Water Mixtures. J. Chem. Eng. Data. 52, 2166-2170 (2007).
  16. Thommes, M., Smarsly, B., Groenewolt, M., Ravikovitch, P. I., Neimark, A. V. Adsorption hysteresis of nitrogen and argon in pore networks and characterization of novel micro- and mesoporous silicas. Langmuir. 22, 756-764 (2006).
  17. Chervin, C. N., et al. A non-alkoxide sol-gel method for the preparation of homogeneous nanocrystalline powders of La0.85Sr0.15MnO3. Chem. Mater. 18, 1928-1937 (2006).
  18. Clapsaddle, B. J., Sprehn, D. W., Gash, A. E., Satcher, J. H. Jr, Simpson, R. L. A versatile sol-gel synthesis route to metal-silicon mixed oxide nanocomposites that contain metal oxides as a major phase. J. Non-Crystalline Solids. 350, 173-181 (2004).
  19. Gash, A. E., et al. Use of epoxides in the sol-gel synthesis of porous iron (III) oxide monoliths from Fe(III) salts. Chem. Mater. 13, 999-1007 (2001).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

مقالات ذات صلة