介绍了一种在1,000 °C至1,400 °C温度范围内制备多孔纳米结构氧化钇稳定氧化锆（YSZ）支架的方案。
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摘要
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我们展示了一种用于制备多孔、纳米结构氧化钇稳定氧化锆（YSZ，8 mol% 氧化钇 - 92 mol% 氧化锆）支架的高温 fabrication 方法，其比表面积可调，最高可达 80 m²/g。2·g-1将锆盐、钇盐和葡萄糖的水溶液与环氧丙烷（PO）混合，形成凝胶。该凝胶在常温条件下干燥，得到干凝胶（xerogel）。将干凝胶压制成颗粒，随后在氩气气氛中进行烧结。在烧结过程中，形成氧化钇稳定氧化锆（YSZ）陶瓷相，同时有机组分发生分解，留下非晶态碳。所形成的碳 原位 作为硬模板，在烧结温度下保持高比表面积的YSZ纳米形貌。随后在低温空气中通过氧化去除碳，得到多孔的纳米结构YSZ支架。通过调节凝胶合成过程中葡萄糖的浓度，可系统调控碳模板的浓度以及最终支架的比表面积。采用热重分析（TGA）对碳模板浓度进行定量，通过物理吸附测量测定比表面积和孔径分布，利用扫描电子显微镜（SEM）表征形貌。物相纯度和晶粒尺寸通过X射线衍射（XRD）测定。该制备方法为实现陶瓷基电化学能量转换应用中前所未有的支架比表面积和纳米形貌，提供了一种新颖且灵活的平台。 例如 固体氧化物燃料电池（SOFC）电极
引言
固体氧化物燃料电池（SOFC）作为一种高效的清洁能源发电替代性能量转换技术，具有广阔的应用前景。1 该技术在研发方面已取得显著进展；然而，电极性能仍需进一步提升，以实现可靠的商业化应用。电极通常由多孔陶瓷支架构成，其表面负载有电催化颗粒。大量研究集中于增加电催化颗粒的表面积以提升性能，2,3,4,5,6,7,8 但针对增加支架表面积的研究却极为有限。由于支架需在1,100 °C至1,500 °C的高温下进行烧结，因此增加其表面积极具挑战性。
通过传统烧结工艺制备的支架，其比表面积通常为 0.1–1 m2·g-1。8,9,10,
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方案
1. 制备干凝胶颗粒
- 凝胶合成
- 将一个25 mm的磁力搅拌子和113 mL去离子水加入500 mL烧杯中。以不产生涡流的最高速度对去离子水进行磁力搅拌。
- 分小份缓慢加入13.05 g（0.056 mol）无水氯化锆至去离子水中。待所有无水氯化锆完全溶解后，向溶液中加入53.29 g（0.296 mol）葡萄糖。
- 待所有葡萄糖完全溶解后，向溶液中加入3.73 g（0.01 mol）六水合硝酸钇。将磁力搅拌速度提高至约700 rpm，并等待六水合硝酸钇完全溶解。
- 向溶液中加入42 mL环氧丙烷。继续以约700 rpm搅拌，使环氧丙烷与水溶液充分混合。一旦环氧丙烷与水溶液混合均匀（约10 s），将磁力搅拌速度降低至约150 rpm。
- 持续搅拌，直至磁力搅拌子因凝胶形成而停止转动。凝胶通常在3分钟内形成。
注意事项：将无水氯化锆加入去离子水是高度放热反应，若加入过快会导致无水氯化锆喷溅。
第1.1节中提供的配方对应葡萄糖与总金属（锆 + 钇）的摩尔比为4.5:1。代表性结果部分包含葡萄糖与总金属摩尔比为0:1、2.25:1和4.5:1的数据。配方中葡萄糖的用量仅受限于其在溶液中的溶解度。作为参考，20 °C时葡萄糖在水中的最大溶解度为47.8 wt%。15
- 凝胶的老化与洗涤 <....
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结果
相纯度通过X射线衍射（XRD）确认，方法如Cottam et al.14 之前所报道。碳模板浓度对YSZ支架比表面积的影响如图1所示。浓度以烧结干凝胶颗粒中总固体的体积百分比表示。随着凝胶配方中葡萄糖浓度的增加，碳模板浓度也系统性增加。如图1所示，通过将葡萄糖与金属的摩尔比从0:1增加至4.5:1，比表面积从10 m2·g-1系统性地增加至68 m2·g-1。
采用热重分析（TGA）对碳模板浓度进行定量（图2）。当葡萄糖与金属的摩尔比分别为0:1和4.5:1时，碳模板浓度分别为总固体的4 wt%和64 wt%。计算中采用5.9 g·cm3的YSZ密度和2.15 g·cm.......
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讨论
通过这种方法 原位 碳模板法可在传统陶瓷支架烧结温度下创建并保持混合金属氧化物的纳米形貌。所得材料的比表面积比传统烧结支架高出多达80倍，比通过复杂沉积技术制备的支架高出多达4倍。14 丙烯氧化物-葡萄糖凝胶体系在调节碳模板浓度方面具有高度灵活性，可系统地将碳模板浓度控制在10 vol%碳至近100 vol%碳之间。
该实验步骤包含三个关键环节。首先，环氧丙烷必须与水溶液充分混合以形成凝胶（步骤 1.1.4）。此过程需在滴加环氧丙烷的同时以约 700 rpm 的速度进行搅拌。若搅拌未达到湍流状态，环氧丙烷将形成独立的上层相，导致凝胶无法生成。其次，在加热管式炉进行烧结前，必须用氩气充分吹扫反应管（步骤 2.2）。具体操作为以每分钟反应管体积三分之一的流速通入氩气 15 分钟。此外，反应管必须确保气密性，防止烧结过程中空气进入。空气中的氧气会将碳氧化为二氧化碳，从而破坏碳模板。第三，从 850 °C 升温至烧结温度的升温速率不得超过 2 °C·min-1。过快的升温速率可能导致支架结构破裂。
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披露
我们没有需要披露的内容。
致谢
本工作由维克森林大学化学系以及维克森林大学能源、环境与可持续性中心（CEES）资助。我们感谢北卡罗来纳州立大学分析仪器设施的Charles Mooney在扫描电镜成像方面提供的帮助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 四氯化锆(IV)，99.5+% | Alfa Aesar | 12104 | 对空气敏感 |
| 六水合硝酸钇(III)，99.9% | Alfa Aesar | 12898 | 氧化剂 |
| 无水D+葡萄糖，≥99.5% | US Biological Life Sciences | G3050 | |
| (±)环氧丙烷，≥99% | Sigma Aldrich | 110205 | 极易燃 |
| 200 Proof 乙醇 | Decon Laboratories, Inc. | 2716GEA | |
| 氩气，99.997% | Airgas | AR 300 | 工业级 |
参考文献
- 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).
- 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).
- Smith, B. H., Gros....
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重印与许可
