在固体氧化物燃料电池电极表面的探测和测绘
2012年9月20日
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（
以下实验的目的是促进对固体氧化物、燃料电池或 SOFC 电极反应和降解机制的理解，这些反应和降解机制适用于使用碳氢化合物和硫污染燃料的电池。从而为 SOFC 材料的合理设计提供见解。这是通过制造带有工作电极的电池来实现的，该电极由嵌入 irea、稳定氧化锆或 YSC 中的镍网电极组成，并测试电池在含有碳氢化合物和硫化氢的燃料中的电化学性能和稳定性。
第二步，在原位 U 和 XE 两种条件下对网状电极进行拉曼光谱分析，这提供了有关电极降解所涉及的化学物质和相、降解发生的位置以及如何防止降解的信息。接下来，使用扫描探针显微镜技术来表征电极，以便在纳米尺度上可视化电极降解和表面形态。与其他表面分析方法（如电子 SPECT 方法）相比，这些技术的主要优点是它们不需要高真空即可作。
这些方法可以帮助收集固体氧化物燃料电池领域的有用信息，例如决定电极性能和降解的机制的性质。这些技术的影响延伸到显微镜观察和能量转换过程。因此，成熟的科学家、电化学家、特殊副本和其他兴趣会对它们感兴趣。
不过，这些主题已经开发用于探测和映射盐氧化物燃料电池中的电极表面过程。它们还可以应用于电化学系统，例如电池和超级电池。要开始制造阳极电池，请使用单轴干压机和圆柱形不锈钢模具称出两批十分之二克的 YSZ 粉末。
直径为 13 毫米的 YSZ 粉末在 50 兆帕的压力下压缩 30 秒。然后切下一块小于 1 厘米的尺寸，由 50 微米金属丝编织而成的 50 镍网，并将其放在模具内的金属丝 Z 盘表面。接下来，在模具内的镍网顶部添加另外十分之二克的 YSC 粉末，并使用柱塞将粉末表面弄平。
将镍网夹层轴向压在 YSC 粉末包之间，并按 300 MegaPath 的压力刻度持续 30 秒。现在从模具中提取压制的镍 YSC 颗粒。将颗粒放入氧化锆坩埚中，然后将坩埚放入水平管式炉中，该炉具有 4% 氢分子和 96% 氩气的流动还原气体气氛。
在制造电极并冷却后，在 1， 440 度 SIU 下燃烧沉淀 5 小时。使用 6 微米金刚石磨料从样品中机械研磨出中心线 C 的一个面，直到露出镍网表面。在每个抛光阶段，使用三微米、一微米和 0.1 微米的金刚石介质在水乙二醇悬浮液中继续抛光裸露的镍网表面约一分钟，以产生具有更高凝固性的网。
清洁和干燥后，整理样品并将酰胺粉末埋在坩埚中，以免接触。然后将样品在 1， 200 摄氏度下在还原气氛中燃烧 2 小时。通过在镍网相对的线 C 表面上刷涂银浆来制备用于电化学测试的样品，以充当对电极。
干燥后，使用银浆将盘绕的银线连接到对电极上，并使用尖端的银浆将直径为 0.2 毫米的银线连接到镍网上。干燥样品后，再次使用 remco 密封件 5 5 2（也称为 cera 键）将电池密封在八分之三英寸的陶瓷电池固定管顶部。密封胶干燥后，将绝缘银线连接到电极引线上。
接下来，将电池夹具安装在管式炉中。将夹具连接到气体管线，并将电线连接到电化学测试设备。接下来，通过室温水鼓泡超高纯度分子氢气，使其加湿至 3% 体积的水。
以每分钟 50 标准立方厘米的速率引导加湿气体通过池固定装置。将电池适当加热并将银对电极居中后，将电池调至 767 摄氏度进行电化学性能测试。测试完成并准备样品进行表征后，使用胶带或粘合剂将细胞贴在拉面显微镜载物台板上，网状阳极朝上。
将激光器聚焦在镍和 YSC 衬底的界面上，设置柱塞和光谱仪，从矩形网格的交点获得光谱。在界面区域上，交叉点相隔 2 微米，光谱应以对应于感兴趣拉曼模式的波数为中心。在这种情况下，硫氧化物选择 980 倒厘米。
下一步是对每个光谱的感兴趣拉曼模式的强度进行积分，并除以具有相同光谱的平坦基线，然后可以相对于其坐标将相对强度绘制在等值线和色图中。为了监测阳极的胶结，使用银浆将金属丝 C 嵌入的镍网密封到 Harrick Scientific 高温反应室阶段的边缘，朝上。然后盖上拉面舞台室。
接下来，将样品室安装在拉玛显微镜上，以镍线 C 边界为视野，然后开始以每分钟约 100 标准立方厘米的速度流过加湿的 4% 氢分子和 96% 氩气通过样品室。现在将拉面室加热到 625 摄氏度。聚焦激光，并从镍网和 YSC 基材上 150 至 2000 平方厘米范围内的点收集基线拉面扫描。
接下来，将 3% 至 5% 的丙烷引入气流中，并在气体流动时定期从镍中收集柱塞和光谱，以观察碳随时间在表面上的沉积。纯镍箔用于通过原子力显微镜或 FM 和静电力显微镜或 EFM 对碳沉积进行可视化，使用从镍箔上切割的 10 毫升乘 1 毫升的方形试样，将试样的一个面抛光至 0.1 微米的等级。按照之前在 550 摄氏度的石英管内衬炉中使用的步骤，将抛光镍片暴露在含有 10% 丙烷的加湿流动气体中，并在氩气平衡下放置一分钟。
然后从炉子和石英管衬里中取出样品。通过光学显微镜和扫描电子显微镜检查表面形态，以准备使用原子力显微镜和静电力显微镜进行研究的样品。使用铜导电胶带将样品安装在金属圆盘上。
然后，将端部型硅底座、FM 尖端或导电 FM 尖端安装到尖端支架上。现在将样本带到 A FM。然后在点击模式下使用 FM 收集形态图像，以便在提升模式下收集信息。从 100 纳米处的提升高度开始，逐渐将其降低到大约表面粗糙度的值，以便静电相互作用可能足够强以进行 EFM 成像。
在提升模式下，在适当的高度扫描样品。收集有关形貌和相位角的信息。识别清晰的相或形态界面，并在改变样品偏压的同时，通过该界面收集一系列 EFM 线扫描。
然后，通过比较不同样品偏置电位下的 EFM 线扫描，确定两相之间对比度翻转的电压。然后，使用比开关电压低 1 到 2 伏的采样偏置收集完整图像，并使用比开关电压高 1 到 2 伏的采样偏置收集另一个图像。当样品呈负偏倚时，碳覆盖的区域显得明亮，当扫描样品表面呈正偏倚时，碳覆盖的区域显得暗。
在这种模式下，可以获得碳沉积的分布和表面形貌。镍网电极在氢分子和硫化氢条件下的性能测试。电流电压的典型结果和 767 摄氏度时的电流功率曲线，如图所示，仅引入百万分之几的硫化氢就会导致相当大的性能下降。
以下是电池在 767 摄氏度下暴露于含有百万分之 0 和 20 的硫化氢的燃料之前和之后的奈奎斯特图。电池的交流阻抗谱是在开路电压条件下进行的。左曲线是典型的中毒行为，右侧是细胞在 767 摄氏度时的典型恢复行为。
硫化氢低于百万分之 20 和负十分之三伏特的直流偏置。中毒和恢复似乎都在几分钟内完成并达到稳定状态，这与较粗镍线所需的漫长恢复时间不同。Odes 之前研究过一种光学显微照片。
镍线 C 接口如左侧所示。右侧是同一地区的拉面地图。拉面图显示了与各种硫氧化物相关的模式的强度。
这些物质仅在镍表面观察到，并且集中在远离三相边界的地方。这张图片是嵌入 YSZ 中的镍网的光学显微照片。这张图片是在 625 摄氏度的含丙烷气体中暴露 15 小时后的相同网格。
右图是暴露在丙烷中 15 小时后，从左侧光学显微照片上标记的点原位收集的拉曼光谱。右图是碳拉面信号变化的加号。从左侧光学显微照片上的绿色点标识的位置随时间收集的强度。
这两个面板允许比较用阻挡氧化物改性的镍 YSC 网，在与未改性网相同的条件下提供更高的抗耦合性。两者都暴露在 625 摄氏度的含丙烷气体中 15 小时。该扫描电子显微镜图像显示了镍暴露于含有一定丙烷的气体后在镍表面形成的均匀黑色斑块。
左边是具有不同耦合水平的区域的原子力显微镜图像。在尝试此程序时，也可以使用右侧的静电力显微镜对这些相同的区域进行成像。重要的是要记住，要尽可能保持一些表面没有其他污染物，例如抛光介质。
不要忘记，使用高温炉和易燃气体可能非常危险，应采取适当的预防措施，例如佩戴防护设备和使用适当的警报器。我希望本视频能够说明如何获得有关电池氧化物燃料电池中电极表面过程的信息，从而帮助您更好地设计电极材料。
查看完整文字稿并访问数千部科学视频
概述
本研究提出了一个平台，用于使用多种技术表征固体氧化物燃料电池（SOFCs）中的电极表面。通过将电化学测量与原位拉曼光谱和扫描探针显微镜结合，该研究旨在加深对电极退化机制的理解。
关键研究组成部分
科学领域
- 固体氧化物燃料电池（SOFCs）
- 电极表征
- 电化学性能
背景
- SOFCs 在碳氢化合物和硫污染的燃料上运行。
- 了解退化机制对材料设计至关重要。
- 拉曼光谱和扫描探针显微镜等技术提供了宝贵的见解。
- 这些表面分析方法不需要高真空。
研究目的
- 调查 SOFCs 中的电极反应和退化机制。
- 为合理设计更好的 SOFC 材料提供见解。
- 分析在各种燃料条件下电池的性能和稳定性。
所用方法
- 制造嵌入稳定氧化锆中的镍网电极的电池。
- 在含有碳氢化合物和硫化氢的燃料中进行电化学测试。
- 原位拉曼光谱分析化学物质和相。
- 扫描探针显微镜用于可视化电极退化和表面形态。
主要结果
- 表征技术提供了关于退化的互补信息。
- 对退化发生的位置和潜在预防方法的见解。
- 加深对电极反应机制的理解。
- 改进先进 SOFC 材料设计的知识。
结论
- 综合方法提供了 SOFC 电极行为的全面视图。
- 研究结果有助于开发更高效的 SOFCs。
- 未来的工作可以在这些见解基础上进行材料优化。
常见问题
Executive Industry Relevance
Advanced surface mapping and mechanistic probing of SOFC electrode materials address a critical bottleneck in energy device R&D: the lack of predictive understanding of degradation under real-world fuel conditions. Integrating in situ Raman spectroscopy and scanning probe microscopy enables direct correlation of electrochemical performance with nanoscale surface chemistry, supporting rational material design and risk-adjusted portfolio decisions. These capabilities are essential for accelerating the translation of new electrode technologies from discovery to scalable energy applications.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables mechanistic interrogation of electrode degradation pathways under operationally relevant conditions.
- Supports functional validation of material modifications aimed at mitigating coking and sulfur poisoning.
- Provides predictive confidence for prioritizing electrode compositions in early-stage screening.
Screening & Assay Development
- Facilitates preparation of validated electrode systems for reproducible electrochemical and surface analysis workflows.
- Enables quantitative mapping of degradation markers, supporting assay standardization and cross-study comparability.
- Delivers high-content, spatially resolved data for robust compound or material evaluation.
Translational & Preclinical Research
- Aligns surface chemistry insights with device-level performance, bridging discovery and preclinical validation.
- Supports risk-adjusted advancement of electrode candidates by clarifying degradation mechanisms under diverse fuel exposures.
- Provides a foundation for translational continuity in energy device development pipelines.
Pipeline & Workflow Integration
This integrated platform spans early discovery through preclinical validation, enabling iterative hypothesis testing and mechanistic de-risking of electrode materials for SOFCs and related electrochemical systems.
- Discovery Biology: Correlates surface chemical changes with functional degradation, supporting pathway clarification and target de-risking.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative readouts of degradation signatures for comparative evaluation of material variants.
- Analytics: Provides spatially resolved Raman and SPM data to quantify and localize degradation processes.
- Translational Research: Links nanoscale surface phenomena to device-level performance, informing preclinical advancement decisions.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable analytical workflow for electrode surface characterization across energy device portfolios.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in material selection and mechanistic understanding of degradation.
- Operational Value: Standardizes high-resolution surface analysis for reproducibility and scalability.
- Strategic Value: Enables informed go/no-go decisions and reduces late-stage technical risk in device development.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of electrode technologies.
Implementation Considerations
- Requires expertise in electrochemistry, Raman spectroscopy, and scanning probe microscopy.
- Demands access to high-temperature in situ analysis platforms and advanced imaging instrumentation.
- Necessitates cross-team standardization of sample preparation and data interpretation protocols.
- Adaptation to other electrochemical systems (e.g., batteries) is feasible but may require workflow optimization.
- Practical limitations include handling of hazardous gases and high-temperature operations.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
2:08
Fabrication of a YSZ-embedded Mesh Anode Cell
3:37
Exposure, Polishing, and Modification of Ni Mesh Electrode
4:29
Preparation and Electrochemical Testing of Full Cells
6:03
Post-test Raman Spectromicroscopic Mapping
7:12
In situ Raman Monitoring of Coking
8:24
Nanoscale Visualization of Coking by AFM and EFM
11:18
Results: Sample Electrochemical, Raman, AFM, and EFM Data
14:25
Conclusion
