在固体氧化物燃料电池电极表面的探测和测绘

Summary

我们提出了一个独特的平台，表征电极表面的固体氧化物燃料电池（SOFC），允许同时进行多种表征技术（

Abstract

固体氧化物型燃料电池（SOFC）具有潜在氢^1-7以外的燃料利用的各种各样的最有效和具有成本效益的解决方案。固体氧化物燃料电池的性能和价格的许多化学和能源在转化过程中的能量储存和转换装置一般是有限的，主要是由沿电极表面的电荷和质量转移和跨接口。不幸的是，这些过程的机理的认识仍然不足，这主要是由于在原位条件下描述这些过程的难度。这方面的知识差距是固体氧化物燃料电池商业化的主要障碍。是非常重要的开发工具，用于探测和映射的表面化学相关的电极反应，揭开表面过程的机理和实现新的电极材料，设计合理，更高效的能源存储和转换^2。在相对 ​​较少的原位</ em>的表面分析方法，拉曼光谱仪可以进行即使在高温和恶劣的环境中，使其成为理想的表征化学过程相关的SOFC阳极的性能和降解^8-12。它也可以被一起使用电化学测量，可能允许直接相关的电化学的操作单元格中的表面化学。正确的原位拉曼光谱测量将是有益的针指向重要的阳极反应机制，因为它的灵敏度相关的物种，包括碳阳极的性能退化的沉积^{8，10，13，14（"}焦化"）和硫中毒^{11， 15}和以何种方式在表面修饰避开这种退化^16。目前的工作表明，这种能力的显着进展情况。此外，该系列的扫描探针显微镜（SPM）技术，提供了一个特殊的办法来询问电表面纳米级分辨率。除了 ​​定期收集，原子力显微镜（AFM）和扫描隧道显微镜的表面形貌，其他属性，如局域电子态，离子扩散系数和表面电位也可以进行调查^17-22。在这项工作中，连同一种新的测试电极的平台，该平台由镍的网状电极嵌入的氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）电解质，使用电化学测量，拉曼光谱，和SPM。燃料的情况下，含H _{2 S的}电池性能测试和交流阻抗谱的特点，拉曼光谱是用来进一步阐明硫中毒的性质。 原位拉曼光谱监测调查焦化的行为。最后，原子力显微镜（AFM）和静电力显微镜（EFM），被用来进一步可视化纳米尺度上的碳沉积。从这个研究中，我们渴望的SOFC阳极产生一个更全面的了解。

Protocol

1。制作一个YSZ-嵌入式网状阳极电解槽

1. 称出两批YSZ​​粉0.2克。
2. 压缩一个批次YSZ粉末在一个圆柱形的不锈钢模具（13毫米直径），用单轴干压在压力为50 MPa，持续30秒。
3. 剪下<1-厘米一块镍网格的YSZ光盘的表面上，并将其放置在模具内。
4. 添加其他0.2克YSZ粉末之上的Ni-模具内的啮合和扁平化的粉末的表面用柱塞式。
5. 单轴按YSZ粉末包之间夹持的Ni网在300兆帕的压力下持续30秒。
6. 从模具中提取按下Ni / YSZ的颗粒。
7. 消防颗粒在1440℃下进行5小时的氧化锆坩埚中，使用水平与流动的还原性气体气氛中的管式炉（4％的H ₂ /平衡的Ar）。

2。镍网电极的曝光，抛光，修饰

1. 机械结盟磨去的一个面上使用6微米的金刚石磨粒的烧结YSZ样品直到镍网表面显露。
2. 进一步抛光暴露的镍网表面约1分钟，在每个研磨工序中使用3微米，1微米，0.1微米的金刚石介质中的水/乙二醇悬浮液。
3. 超声波清洗抛光的样品在丙酮，乙醇，和DI水，每次10分钟。
4. 干燥样品在干净的压缩空气流。
5. 对于Ni目增加，耐结焦性，火的样品在1200℃下2小时的存在下，在还原气氛中，但不接触，BaO的粉末。

Results

硫中毒分析

图4中所示的是典型的小区用的Ni的H ₂和20ppm的H _{2 S的}情况下的网状电极，IV和IP曲线。显然，甚至只是几个ppm的H _{2 S}的引入可以毒害的Ni-YSZ阳极，导致相当大的性能退化。

为了更深入理解的Ni-YSZ阳极的中毒行为，交流阻抗谱的细胞里的开路电压（OCV）的条件下进行。 图5中所示的之前和之后被暴露阳极燃料含有0和20ppm的H _{2 S}在767℃下的细胞的Nyquist图本研究中使用的两​​电极的阻抗，由于电池阻抗主要是由该工作电极，参比电极，因此无需。阻抗谱显示，体积电阻保持不变WH异亮的界面电阻急剧增加，负极板，之后暴露于H _{2 S的}含燃料。

图6中所示的是典型的中毒和恢复行为的电池在767℃下低于20 ppm的H _{2 S.......}

Discussion

硫中毒分析

在图5所示的阻抗谱表明，硫中毒的现象，而不是一个影响大部分材料的表面或界面。具体而言，快速中毒的Ni网状电极（ 图6），可能会导致从直接暴露的Ni电极的燃料气体和后续的硫吸附，将不会限制气体扩散的情况下，这个过程的速率尽可能厚的多孔Ni / YSZ阳极。强烈地吸附硫镍，YSZ，和燃料之间的三相边界（TPB）处或附近可能会阻止三相点的H ₂的电化学氧化的活性位点，从而导致快速的性能损失。另一方面，在恢复过程中，可以帮助细胞的电流通过电化学氧化的硫吸附在阳极表面SO _2，特别是在城规会或附近。上策硫被氧化成SO _2，它会迅速解吸从阳极表面，从而导致的Ni / YSZ接口重新暴露至气相（再生TPBS）和几乎完全恢复的性能^26。然而，目前可能不会是有效的，足以完全消除吸附硫远离城规会的地区，这可能会停留在表面，甚至完全恢复后的表现。探讨了这种可能性，在空气中老化的电极，以形成_SO x的组由拉曼光谱（

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
的试剂/材料名称	公司	目录编号	评论
镍网	阿法埃莎	CAS:7440-02-0
镍箔	阿法埃莎	CAS:7440-02-0
YSZ粉	TOSOH	批号:S800888B
银膏	贺利氏	C8710
氧化钡	Sigma-Aldrich公司	1304-28-5
银线	阿法埃莎	7440-22-4
丙酮	VWR	67-64-1
乙醇	阿法埃莎	64-17-5
UHP H 2	Airgas公司		纯度为99.999％
100 ppm的H 2 S / H 2	Airgas公司		认证的自定义组合
n型硅原子力显微镜针尖	MikroMasch	NSC16	10纳米尖端半径
金涂层的原子力显微镜针尖	MikroMasch	CSC11/Au/Cr	20-30纳米尖端半径
拉曼光谱仪	雷尼绍	RM1000
氩离子激光器	ModuLaser	StellarPro 150
He-Ne激光	Thorlabs公司	HPL170
原子力显微镜	Veeco公司	奈米级IIIA
移动拉曼阶段	在此之前科学	H101RNSW
光学显微镜	徕卡	DMLM
扫描电子显微镜	LEO	1550
管式炉	应用测试系统	2110
抛光机	盟军高科技产品	MetPrep
6微米研磨介质	盟军高科技产品	50-50040M
3微米的抛光介质	盟军高科技产品	90-30020
1微米的研磨介质	盟军高科技产品	90-30015
0.1微米的抛光介质	盟军高科技产品	90-32000
拉曼室	Harrick旅游科学	HTRC