Name: 在固体氧化物燃料电池电极表面的探测和测绘 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-09-20T13:00:00.000+00:00
Duration: 15 min 8 s
Description: 了解固体氧化物燃料电池电极表面的原位拉曼光谱和扫描探针显微镜表征方法。该技术结合电化学测试，帮助研究人员深入理解电极降解机制，为设计更高效的SOFC材料提供重要依据。

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本工作由HeteroFoaM中心支持，该中心是美国能源部科学办公室基础能源科学办公室（BES）资助的能源前沿研究中心，资助编号为DE-SC0001061。

1. 制备YSZ嵌入式网状阳极电池
<ol>
	<li>称取两份0.2 g的YSZ粉末。</li>
	<li>将一批 YSZ 粉末置于直径为 13 mm 的圆柱形不锈钢模具中，使用单轴干压机在 50 MPa 压力下压缩 30 秒。</li>
	<li>剪切 &lt;1 厘米见方的镍网片，将其放置于模具内 YSZ 圆片的表面。</li>
	<li>将另外0.2 g的YSZ粉末加入模具内镍网的上方，并使用冲头压平粉末表面。</li>
	<li>将夹在两包YSZ粉末之间的镍网在300 MPa压力下单轴向压制成型，持续30秒。</li>
	<li>从模具中取出压制成型的Ni/YSZ圆片。</li>
	<li>在水平管式炉中，使用流动的还原性气体气氛（4% H₂/Ar），将样品于氧化锆坩埚内于1440 °C下煅烧5小时。2/bal. Ar)</li>
</ol>
2. 镍网电极的暴露、抛光与修饰
<ol>
	<li>使用6 μm金刚石研磨料对烧结的YSZ样品的一个表面进行机械研磨，直至露出Ni网表面。</li>
	<li>随后在水/乙二醇悬浮液中，依次使用3 μm、1 μm和0.1 μm的金刚石抛光介质对暴露的Ni网表面进行进一步抛光，每次抛光步骤约持续1分钟。</li>
	<li>将抛光后的样品在丙酮、乙醇和去离子水中分别进行超声清洗，每种溶剂清洗10分钟。</li>
	<li>在洁净的压缩空气流下将样品吹干。</li>
	<li>对于具有更高抗积碳性能的Ni网，将样品与BaO粉末共置于还原气氛中（但不与粉末直接接触），在1,200 °C下煅烧2小时。</li>
</ol>
3. 全电池的制备与电化学测试
<ol>
	<li>在YSZ样品与Ni网相对的表面用刷涂法涂上Ag浆料，作为对电极。</li>
	<li>使用Ag浆料将一根盘绕的Ag丝连接到对电极上。</li>
	<li>将样品上的Ag浆料在120 °C烘箱中干燥30分钟，然后在Ni网端部用Ag浆料连接一根直径为0.2 mm的Ag丝。</li>
	<li>再次将样品在120 °C烘箱中干燥30分钟。</li>
	<li>将电池（Ni网朝下）用Aremco Seal 552（Ceramabond）密封在一段3/8英寸陶瓷电池固定管的顶部。</li>
	<li>让密封剂在空气中干燥2–4小时。</li>
	<li>将两根绝缘银导线分别连接至两个电极导线上。</li>
	<li>将电池固定装置安装到管式炉中，将固定装置连接至气体管路，并将导线连接至适当的电化学测试设备。</li>
	<li>开始以50 sccm的流速向电池固定装置中通入超高温纯度等级（99.999%）的H2气体；在气体进入电池固定装置前，应使其通过室温水鼓泡，以使气体中的H2O体积分数达到3%。</li>
	<li>将装有电池的炉体加热至100 °C并保持2小时，随后升至260 °C保持1小时，最后以1 °C/min的升温速率升至800 °C，在整个加热过程中持续通入H2以防止Ni电极氧化。前两个加热步骤用于固化Ceramabond密封剂。</li>
	<li>在800 °C下保持电池2小时，使Ag对电极完成烧结。</li>
	<li>将电池温度略微降低至767 °C，进行电化学性能测试。</li>
	<li>测试完成后，在持续通入湿化H2的条件下，小心地将电池固定装置从炉中取出，并在室温下快速冷却。（注意：操作高温陶瓷时应佩戴适当的个人防护装备，如耐热手套和隔热垫！）</li>
	<li>测试结束后，通过断开电极导线并小心地将电池从Ceramabond密封剂中分离，将电池从固定装置上拆下，用于后续表征。</li>
</ol>
*图1展示了嵌入YSZ的Ni网状结构电池的示意图，以及嵌入式网状结构的典型照片和光学显微图像。
*在我们的研究中，采用 EG&amp;G PAR 恒电位仪（型号 273A）与 Solartron 1255 高频响应分析仪联用，结合 CorrWare 和 ZPlot 软件（Scribner Associates）对细胞进行电化学表征。采用线性扫描伏安法和恒电压安培法对电池性能进行表征，并在 100 kHz 至 0.1 Hz 的频率范围内以 10 mV 的振幅获取阻抗谱。在硫中毒研究中，将含有 100 ppm H2S 的 H2 标准气体与纯 H2 燃料气流混合，获得含 20 ppm H2S/H2 的混合气体。
4. 测试后拉曼光谱显微成像
<ol>
	<li>用胶带或粘合剂将细胞样品固定在拉曼显微镜载物台板上，确保网状阳极朝上，以防止拉曼分析过程中样品移动。</li>
	<li>使用显微镜和XYZ载物台定位Ni网与YSZ基底之间的界面边界。</li>
	<li>通过切换显微镜滤光片并微调载物台Z坐标，使激光聚焦。</li>
	<li>设置拉曼光谱仪，在覆盖界面区域的矩形网格节点上采集光谱，节点间间隔为2 μm。光谱应围绕目标物相或物种的拉曼振动模式对应的波数中心。本实验中，SOx选择980 cm-1。</li>
	<li>对每条光谱，积分目标拉曼振动模式的强度，并将该强度除以同一光谱中的平坦基线。随后可根据其坐标将相对强度绘制成等高线图或颜色图。</li>
</ol>
使用配备 Modu-Laser StellarPro 514 nm 氩离子激光器（5 mW）和 Thorlabs HRP170 633 nm 氦氖激光器（17 mW）的 Renishaw RM1000 系统进行拉曼显微光谱分析。该系统配备有 X-Y-Z 电动载物台（Prior Scientific H101RNSW）和 50 倍物镜，共同实现了约 2 μm 的映射分辨率。硬件与 Renishaw WiRE 2.0 软件配合使用。数据采用 MATLAB（MathWorks）进行处理。
5. 原位 拉曼监测积碳8
<ol>
	<li>使用银浆将YSZ嵌入的Ni网样品固定在拉曼腔室的载物台上，网面朝上。</li>
	<li>将敞开的腔室加热至300 °C，持续1小时，以干燥并去除银浆的悬浮介质。</li>
	<li>密封拉曼腔室的盖子，并将其固定在拉曼显微镜的载物台上。使用显微镜定位Ni/YSZ界面，方法见协议4.2。</li>
	<li>开始以约100 sccm的流速向腔室内通入经水鼓泡器加湿的4% H2 / Ar混合气体。</li>
	<li>将拉曼腔室加热至625 °C。</li>
	<li>调节激光聚焦，对Ni网和YSZ基底上的点位进行基线拉曼扫描，扫描范围为150–2000 cm-1。</li>
	<li>向气流中引入3–5%的C3H8，并在气体持续流动过程中定期采集Ni表面的拉曼光谱，以观察随时间推移（例如 15小时）碳在表面的沉积情况。</li>
	<li>在持续通入4% H2 / Ar气体的条件下，以5 °C/min的速率缓慢冷却样品。</li>
</ol>
*该 原位 拉曼分析使用经定制改装的Harrick Scientific高温反应室进行。该反应室配备石英窗盖、气体连接口和冷却管线。示意图和照片见于 图2.
注意：应使用冷却水保护拉曼系统上的光学显微镜免受热损伤！
6. 利用原子力显微镜和电场力显微镜对结焦现象进行纳米尺度可视化观察
<ol>
	<li>按照方案2.2所述，将一块1 cm × 1 mm的方形镍片的一个表面抛光至0.1 μm级别。</li>
	<li>在石英管衬里的炉膛中，将抛光后的镍片暴露于含10% C3H8、其余为Ar的流动气体中，在550 °C下处理1分钟；在气体进入石英管之前，应使其通过室温水鼓泡，以使气体湿度达到3% vol. H2O。</li>
	<li>从炉膛中取出样品，通过光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）检查表面形貌。</li>
	<li>使用铜导电胶带将样品固定在金属样品托上，用于原子力显微镜（AFM）和静电力显微镜（EFM）研究。</li>
	<li>采用轻敲模式（Tapping Mode）的原子力显微镜采集形貌图像。</li>
	<li>将基于n型Si的AFM探针（NSC16）或导电AFM探针（CSC11/Cr-Au）安装到电学探针 holder（MMEFCH）上。</li>
	<li>以“抬升模式”（Lift Mode）扫描样品表面，即探针在第一次扫描时获取样品表面的形貌信息，在第二次扫描时检测相位角以获得静电力信息。初始抬升高度设为100 nm，并逐步降低至接近表面粗糙度的数值（20–30 nm）。</li>
	<li>在镍表面积碳区域与洁净区域之间清晰的界面上，改变样品偏压，采集一系列EFM线扫描数据。</li>
	<li>通过比较不同样品偏压下的EFM线扫描结果，确定相位角对比发生反转时的电压值21。</li>
	<li>采集一幅相对于切换点偏负1–2 V的样品偏压下的图像，以及另一幅相对于切换点偏正1–2 V的样品偏压下的图像。</li>
	<li>通过对比形貌图像以及在不同样品偏压下获得的两组EFM图像，获得样品上碳相与镍相的分布图。*在我们的SPM分析中，使用了Veeco Nanoscope IIIA系统。EFM分析工作原理的示意图见图3。23, 24</li>
</ol>

<ol><li>Minh, N. Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Solid+oxide+fuel+cell+technology-features+and+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Solid+State+Ionics%22%5BJournal%5D)">Solid oxide fuel cell technology-features and applications.</a> Solid State Ionics. 174 (1-4), 271(2004).</li>
<li>Liu, M., Lynch, M. E., Blinn, K., Alamgir, F., Choi, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rational+SOFC+material+design%3A+new+advances+and+tools%5BTitle%5D)+AND+%22Materials+today%22%5BJournal%5D)">Rational SOFC material design: new advances and tools.</a> Materials today. 14 (11), 534(2011).</li>
<li>Zhan, Z. L., Barnett, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+octane-fueled+solid+oxide+fuel+cell%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">An octane-fueled solid oxide fuel cell.</a> Science. 308, 844(2005).</li>
<li>Huang, Y. H., Dass, R. I., Xing, Z. L., Goodenough, J. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Double+perovskites+as+anode+materials+for+solid+oxide+fuel+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Double perovskites as anode materials for solid oxide fuel cells.</a> Science. 312, 254(2006).</li>
<li>Yang, L., Wang, S., Blinn, K., Liu, M., Liu, Z., Cheng, Z., Liu, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Enhanced+Sulfur+and+Coking+Tolerance+of+a+Mixed+Ion+Conductor+for+SOFCs%3A+BaZr0.1Ce0.7Y0.2-xYbxO3-d%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Enhanced Sulfur and Coking Tolerance of a Mixed Ion Conductor for SOFCs: BaZr0.1Ce0.7Y0.2-xYbxO3-d.</a> Science. 326, 126(2009).</li>
<li>Liu, M. F., Choi, Y. M., Yang, L., Blinn, K., Qin, W., Liu, P., Liu, M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+octane+fuel+cells%3A+A+promising+power+for+transportation%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Energy%22%5BJournal%5D)">Direct octane fuel cells: A promising power for transportation.</a> Nano Energy. 1, 448(2012).</li>
<li>Cheng, Z., Wang, J. -H., Choi, Y. M., Yang, L., Lin, M. C., Liu, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((From+Ni-YSZ+to+sulfur-tolerant+anodes+for+SOFCs%3A+electrochemical+behavior%2C+in+situ+characterization%2C+modeling%2C+and+future+perspectives%5BTitle%5D)+AND+%22Energy+%26+Environmental+Science%22%5BJournal%5D)">From Ni-YSZ to sulfur-tolerant anodes for SOFCs: electrochemical behavior, in situ characterization, modeling, and future perspectives.</a> Energy & Environmental Science. 4 (11), 4380(2011).</li>
<li>Blinn, K. S., Abernathy, H. W., Li, X., Liu, M. F., Liu, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Raman+spectroscopic+monitoring+of+carbon+deposition+on+hydrocarbon-fed+solid+oxide+fuel+cell+anodes%5BTitle%5D)+AND+%22Energy+%26+Environmental+Science%22%5BJournal%5D)">Raman spectroscopic monitoring of carbon deposition on hydrocarbon-fed solid oxide fuel cell anodes.</a> Energy & Environmental Science. 5, 7913(2012).</li>
<li>Abernathy, H. W. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Investigations+of+Gas%2FElectrode+Interactions+in+Solid+Oxide+Fuel+Cells+Using+Vibrational+Spectroscopy+%5B%5D%22">Investigations of Gas/Electrode Interactions in Solid Oxide Fuel Cells Using Vibrational Spectroscopy [dissertation]</a>. , Georgia Institute of Technology. (2008).</li>
<li>Pomfret, M. B., Owrutsky, J. C., Walker, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-temperature+Raman+spectroscopy+of+solid+oxide+fuel+cell+materials+and+processes%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Physical+Chemistry+B%22%5BJournal%5D)">High-temperature Raman spectroscopy of solid oxide fuel cell materials and processes.</a> Journal of Physical Chemistry B. 110 (35), 17305(2006).</li>
<li>Cheng, Z., Liu, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterization+of+sulfur+poisoning+of+Ni-YSZ+anodes+for+solid+oxide+fuel+cells+using+in+situ+Raman+microspectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Solid+State+Ionics%22%5BJournal%5D)">Characterization of sulfur poisoning of Ni-YSZ anodes for solid oxide fuel cells using in situ Raman microspectroscopy.</a> Solid State Ionics. 178 (13-14), 925(2007).</li>
<li>Li, X., Blinn, K., Fang, Y., Liu, M., Mahmoud, M. A., Cheng, S., Bottomley, L. A., El-Sayed, M., Liu, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Application+of+surface+enhanced+Raman+spectroscopy+to+the+study+of+SOFC+electrode+surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Chemistry+Chemical+Physics%22%5BJournal%5D)">Application of surface enhanced Raman spectroscopy to the study of SOFC electrode surfaces.</a> Physical Chemistry Chemical Physics. 14, 5919(2012).</li>
<li>Dresselhaus, M. S., Jorio, A., Hofmann, M., Dresselhaus, G., Saito, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Perspectives+on+Carbon+Nanotubes+and+Graphene+Raman+Spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Letters%22%5BJournal%5D)">Perspectives on Carbon Nanotubes and Graphene Raman Spectroscopy.</a> Nano Letters. 10, 751(2010).</li>
<li>Su, C., Ran, R., Wang, W., Shao, Z. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Coke+formation+and+performance+of+an+intermediate-temperature+solid+oxide+fuel+cell+operating+on+dimethyl+ether+fuel%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Power+Sources%22%5BJournal%5D)">Coke formation and performance of an intermediate-temperature solid oxide fuel cell operating on dimethyl ether fuel.</a> Journal of Power Sources. 196, 1967(2011).</li>
<li>Cheng, Z., Abernathy, H., Raman Liu, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spectroscopy+of+Nickel+Sulfide+Ni3S2%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Physical+Chemistry+C%22%5BJournal%5D)">Spectroscopy of Nickel Sulfide Ni3S2.</a> Journal of Physical Chemistry C. 111 (49), 17997(2007).</li>
<li>Yang, L., Choi, Y., Qin, W., Chen, H., Blinn, K., Liu, M., Liu, P., Bai, J., Tyson, T. A., Liu, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Promotion+of+water-mediated+carbon+removal+bynanostructured+barium+oxide%2Fnickel+interfaces+in+solid+oxide+fuel+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Communications%22%5BJournal%5D)">Promotion of water-mediated carbon removal bynanostructured barium oxide/nickel interfaces in solid oxide fuel cells.</a> Nature Communications. 2, 357(2011).</li>
<li>Kumar, A., Ciucci, F., Morzovska, A., Kalinin, S., Jesse, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measuring+oxygen+reduction%2Fevolution+reactions+on+the+nanoscale%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Measuring oxygen reduction/evolution reactions on the nanoscale.</a> Nature Chemistry. 3, 707(2011).</li>
<li>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. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Probing+Surface+and+Bulk+Electrochemical+Processes+on+the+LaAlO3-SrTiO3+Interface%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Probing Surface and Bulk Electrochemical Processes on the LaAlO3-SrTiO3 Interface.</a> ACS Nano. 6 (5), 3841(2012).</li>
<li>Katsiev, K., Yildiz, B., Balasubramaniam, K., Salvador, P. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electron+Tunneling+Characteristics+on+La0.7Sr0.3MnO3+Thin-Film+Surfaces+at+High+Temperature%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">Electron Tunneling Characteristics on La0.7Sr0.3MnO3 Thin-Film Surfaces at High Temperature.</a> Applied Physics Letters. 95 (9), 092106(2009).</li>
<li>Jesse, S., Kumar, A., Arruda, T. M., Kim, Y., Kalinin, S. V., Ciucci, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrochemical+strain+microscopy%3A+Probing+ionic+and+electrochemical+phenomena+in+solids+at+the+nanometer+level%5BTitle%5D)+AND+%22MRS+Bulletin%22%5BJournal%5D)">Electrochemical strain microscopy: Probing ionic and electrochemical phenomena in solids at the nanometer level.</a> MRS Bulletin. 37 (7), 651-65 (2012).</li>
<li>Datta, S. S., Strachan, D. R., Mele, E. J., Johnson, A. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface+Layers+and+Layer+Charge+Distributions+in+Few-Layer+Graphene+Films%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Letters%22%5BJournal%5D)">Surface Layers and Layer Charge Distributions in Few-Layer Graphene Films.</a> Nano Letters. 9, 7(2009).</li>
<li>Coffey, D. C., Ginger, D. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Time-resolved+electrostatic+force+microscopy+of+polymer+solar+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Materials%22%5BJournal%5D)">Time-resolved electrostatic force microscopy of polymer solar cells.</a> Nature Materials. 5 (9), 735(2006).</li>
<li>Nakamura, M., Yamada, H. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aNakamura%2C+M+%22Roadmap+of+Scanning+Probe+Microscopy%22">Roadmap of Scanning Probe Microscopy</a>. Morita, S. , Springer. Berlin. (2007).</li>
<li>Girard, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrostatic+force+microscopy%3A+principles+and+some+applications+to+semiconductors%5BTitle%5D)+AND+%22Nanotechnology%22%5BJournal%5D)">Electrostatic force microscopy: principles and some applications to semiconductors.</a> Nanotechnology. 12, 485(2001).</li>
<li>Rasmussen, J. F. B., Hagen, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+effect+of+H2S+on+the+performance+of+Ni-YSZ+anodes+in+solid+oxide+fuel+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Power+Sources%22%5BJournal%5D)">The effect of H2S on the performance of Ni-YSZ anodes in solid oxide fuel cells.</a> Journal of Power Sources. 191 (2), 534(2009).</li>
<li>Zha, S. W., Cheng, Z., Liu, M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sulfur+poisoning+and+regeneration+of+Ni-based+anodes+in+solid+oxide+fuel+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+The+Electrochemical+Society%22%5BJournal%5D)">Sulfur poisoning and regeneration of Ni-based anodes in solid oxide fuel cells.</a> Journal of The Electrochemical Society. 154 (2), B201(2007).</li>
<li>Liu, M. F., Ding, D., Blinn, K., Li, X., Nie, L., Liu, M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Enhanced+performance+of+LSCF+cathode+through+surface+modification%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Hydrogen+Energy%22%5BJournal%5D)">Enhanced performance of LSCF cathode through surface modification.</a> International Journal of Hydrogen Energy. 37 (10), 8613(2012).</li>
<li>Park, H., Li, X., Blinn, K. S., Liu, M., Lai, S., Bottomley, L. A., Liu, M., Park, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Probing+coking+resistance+from+nanoscale%3A+a+study+of+patterned+BaO+nanorings+over+nickel+surface%5BTitle%5D)+AND+%22%22%5BJournal%5D)">Probing coking resistance from nanoscale: a study of patterned BaO nanorings over nickel surface.</a> , In preparation (2012).</li>
</ol>

无利益冲突声明。

硫中毒分析
所示的阻抗谱 图5 表明硫中毒是一种表面或界面现象，而非影响材料整体的现象。具体而言，镍网电极的快速中毒（图6）可能是由于Ni电极直接暴露于燃料气体并随之发生硫吸附所致；与厚的多孔Ni/YSZ阳极不同，该过程的速率受气体扩散限制的程度较小。在Ni、YSZ和燃料之间的三相界面（TPB）处或其附近强烈吸附的硫很可能阻断氢电化学氧化反应的活性位点2 在TPB处，导致性能迅速下降。另一方面，在恢复过程中，流经电池的电流可促进吸附在阳极表面的硫发生电化学氧化，生成SO2，尤其是在三相界面处或其附近。一旦硫被氧化为SO2，它将迅速从阳极表面脱附，导致Ni/YSZ界面重新暴露于气相中（三相界面的再生），从而几乎完全恢复电池性能 26然而，当前的电流可能不足以有效去除吸附在TPB区域较远位置的硫，这些硫即使在性能完全恢复后仍可能残留在表面。为探究这一可能性，将电极在空气中老化以形成SOx 可通过拉曼光谱检测的基团（<...

<table><tbody><tr><td>镍网</td><td>Alfa Aesar</td><td>CAS: 7440-02-0</td><td></td></tr><tr><td>镍箔</td><td>Alfa Aesar</td><td>CAS: 7440-02-0</td><td></td></tr><tr><td>氧化钇稳定氧化锆粉末</td><td>TOSOH</td><td>批号：S800888B</td><td></td></tr><tr><td>银浆</td><td>Heraeus</td><td>C8710</td><td></td></tr><tr><td>氧化钡</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>1304-28-5</td><td></td></tr><tr><td>银丝</td><td>Alfa Aesar</td><td>7440-22-4</td><td></td></tr><tr><td>丙酮</td><td>VWR</td><td>67-64-1</td><td></td></tr><tr><td>乙醇</td><td>Alfa Aesar</td><td>64-17-5</td><td></td></tr><tr><td>超高纯 H&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;</td><td>Airgas</td><td></td><td>纯度 99.999%</td></tr><tr><td>100 ppm H&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;S/H&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;</td><td>Airgas</td><td></td><td>经认证的定制混合气</td></tr><tr><td>n型硅原子力显微镜探针</td><td>MikroMasch</td><td>NSC16</td><td>探针尖端半径 10 nm</td></tr><tr><td>金镀层原子力显微镜探针</td><td>MikroMasch</td><td>CSC11/Au/Cr</td><td>探针尖端半径 20-30 nm</td></tr><tr><td>拉曼光谱仪</td><td>Renishaw</td><td>RM1000</td><td></td></tr><tr><td>氩离子激光器</td><td>ModuLaser</td><td>StellarPro 150</td><td></td></tr><tr><td>氦氖激光器</td><td>Thorlabs</td><td>HPL170</td><td></td></tr><tr><td>原子力显微镜</td><td>Veeco</td><td>Nanoscope IIIA</td><td></td></tr><tr><td>可移动拉曼样品台</td><td>Prior Scientific</td><td>H101RNSW</td><td></td></tr><tr><td>光学显微镜</td><td>Leica</td><td>DMLM</td><td></td></tr><tr><td>扫描电子显微镜</td><td>LEO</td><td>1550</td><td></td></tr><tr><td>管式炉</td><td>Applied Test Systems</td><td>2110</td><td></td></tr><tr><td>抛光机</td><td>Allied High Tech Products</td><td>MetPrep</td><td></td></tr><tr><td>6 &amp;mu;m 研磨介质</td><td>Allied High Tech Products</td><td>50-50040M</td><td></td></tr><tr><td>3 &amp;mu;m 抛光介质</td><td>Allied High Tech Products</td><td>90-30020</td><td></td></tr><tr><td>1 &amp;mu;m 抛光介质</td><td>Allied High Tech Products</td><td>90-30015</td><td></td></tr><tr><td>0.1 &amp;mu;m 抛光介质</td><td>Allied High Tech Products</td><td>90-32000</td><td></td></tr><tr><td>拉曼测试腔室</td><td>Harrick Scientific</td><td>HTRC</td><td></td></tr></tbody></table>

固体氧化物燃料电池中电极表面的探测与绘图

Probing and Mapping Electrode Surfaces in Solid Oxide Fuel Cells

固体氧化物燃料电池（SOFCs）可能是利用除氢气外多种燃料时最具效率和成本效益的解决方案1-7。SOFCs的性能以及一般能量存储与转换装置中许多化学和能量转化过程的速率，主要受限于电极表面及界面间的电荷与质量传递。然而，由于在原位条件下表征这些过程存在困难，目前对这些过程的机理理解仍然不足。这一知识空白是SOFC商业化的主要障碍。开发用于探测和绘制与电极反应相关的表面化学分布的工具，对于揭示表面过程的机理以及实现新型电极材料的理性设计以提升能量存储与转换效率至关重要2。在为数不多的原位表面分析方法中，拉曼光谱即使在高温和严苛气氛下也可实施，因此非常适合表征与SOFC阳极性能及退化相关的化学过程8-12。它还可与电化学测量联用，有望在运行中的电池内实现电化学与表面化学的直接关联。恰当的原位拉曼成像测量因其对相关物种的高度敏感性，有助于精确定位重要的阳极反应机理，包括因碳沉积8, 10, 13, 14（“结焦”）和硫中毒11, 15导致的阳极性能退化，以及表面改性如何延缓此类退化的过程16。本研究在实现这一能力方面取得了显著进展。此外，扫描探针显微技术（SPM）家族提供了一种以纳米级分辨率探测电极表面的独特方法。除了原子力显微镜（AFM）和扫描隧道显微镜（STM）常规获取的表面形貌外，还可研究局部电子态、离子扩散系数和表面电势等其他性质17-22。本研究中，电化学测量、拉曼光谱和SPM技术与一种新型测试电极平台结合使用，该平台由嵌入氧化钇稳定氧化锆（YSZ）电解质中的镍网电极构成。在含H2S燃料条件下进行了电池性能测试和阻抗谱表征，并采用拉曼成像进一步阐明硫中毒的本质。原位拉曼监测被用于研究结焦行为。最后，利用原子力显微镜（AFM）和静电显微镜（EFM）进一步在纳米尺度上可视化碳沉积现象。通过本研究，我们希望对SOFC阳极形成更全面的认识。

硫中毒分析
在图4中展示了在 H2 和含 20 ppm H2S 条件下，使用 Ni 网格电极的电池典型的 I-V 和 I-P 曲线。显然，即使仅引入数 ppm 的 H2S，也会使 Ni-YSZ 阳极中毒，并导致性能显著下降。
为了更深入地理解Ni-YSZ阳极的中毒行为，本研究在开路电压（OCV）条件下对电池进行了交流阻抗谱分析。图5展示了电池在767 °C下，阳极暴露于含0和20 ppm H2S燃料前后测得的奈奎斯特图。本研究采用双电极阻抗测量，因为电池的阻抗主要由工作电极决定，因此无需使用参比电极。阻抗谱显示，在阳极暴露于含H2S燃料后，体相电阻保持不变，而界面电阻显著增加。
图6展示了电池在767 °C、20 ppm H2S条件下典型的中毒与恢...

我们介绍一种用于表征固体氧化物燃料电池（SOFCs）电极表面的独特平台，该平台可同时进行多种表征技术例如，原位 拉曼光谱、扫描探针显微技术以及电化学测量。这些分析手段提供的互补信息有助于深入理解电极反应与降解机制，为设计更优异的固体氧化物燃料电池（SOFC）材料提供理论依据。

固体氧化物燃料电池（SOFCs）可能是利用氢气以外多种燃料时效率最高且最具成本效益的解决方案……

以下实验的目的是促进对在碳氢化合物和含硫燃料中运行的固体氧化物燃料电池（SOFC）电极反应及其衰减机制的理解，从而为SOFC材料的理性设计提供依据。为此，制备工作电极为镍网嵌入氧化钇稳定氧化锆（YSC）的电池，并在含碳氢化合物和硫化氢的燃料中测试其电化学性能与稳定性。第二步，在原位电势（U）和氙气环境（XE）两种条件下，对网状电极进行拉曼光谱分析，以获取电极降解过程中涉及的化学物种和物相信息，明确降解发生的位置以及可能的防止方法。接下来，采用扫描探针显微技术对电极进行表征，以在纳米尺度上直观呈现电极的降解情况和表面形貌。相较于电子能谱等其他表面分析方法，这些技术的主要优势在于无需在高真空条件下运行。这些方法有助于获取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衰减机制的本质。这些技术的影响还延伸至显微成像和能量转换过程。因此，它们将对资深科学家、电化学家、专业人员以及其他感兴趣者具有吸引力。然而，尽管这些技术最初是为研究和表征固体氧化物燃料电池中电极表面过程而开发的，它们同样可应用于电池和超级电容器等电化学系统。开始制备阳极片时，使用单轴干压机和圆柱形不锈钢模具，称取两份氧化钇稳定氧化锆（YSZ）粉末，每份0.2克。使用直径为13毫米的模具，在50兆帕的压力下压缩一批YSZ粉末30秒。然后，剪取一段小于1厘米见方、由50微米直径金属丝编织而成的50目镍网，将其放置在模具内Z形金属丝圆盘的表面。接着，将另外0.2克YSZ粉末加在模具内的镍网上方，并用冲头将粉末表面压平。将镍网夹在两包YSC粉末之间，单轴加压，压力为300兆帕，持续30秒。然后从模具中取出压制成型的镍-YSC片剂。将该片剂放入氧化锆坩埚中，并将坩埚置于水平管式炉内，通入还原性气体氛围，其中含4%分子氢和96%氩气。电极制备并冷却后，将样品在 1,440 度 SIU 下烧结五小时。使用粒径为六微米的金刚石研磨料，机械研磨去除样品中居中导线 C 的一个表面，直至露出镍网表面。随后，在水-乙二醇悬浮液中，依次使用粒径为三微米、一微米和 0.1 微米的金刚石抛光介质对暴露的镍网表面进行抛光，每个抛光阶段持续约一分钟，以获得具有更高抗共面电阻性能的网状结构。清洁并干燥后，将样品与酰胺粉末分别置于坩埚中，确保二者不接触。随后在还原气氛中于 1,200 摄氏度下灼烧两小时。在镍网相对的导线 C 表面用刷涂法涂覆银浆，作为对电极，以备电化学测试使用。干燥后，使用银浆将一根盘绕的银丝连接到对电极上，并用银浆在尖端将一根直径为0.2毫米的银丝连接到镍网上。再次干燥样品后，使用Remco Seal 552（也称为Cera Bond）将电池密封，使镍网朝下覆盖在一段直径为3/8英寸的陶瓷电池固定管上。待密封剂干燥后，将绝缘银丝连接到电极引线上。接下来，将电池夹具安装到管式炉中。将夹具连接至气体管路，并将导线连接至电化学测试设备。随后，将超高纯度的氢气通入室温水中，使其鼓泡，以将氢气湿度调节至含3%体积的水蒸气。以每分钟50标准立方厘米的流速将湿润气体通入细胞装置中。在正确加热电池并居中放置银对电极后，将电池升温至767摄氏度以进行电化学性能测试。测试完成后，当样品已准备好用于表征时，使用胶带或粘合剂将电池固定在拉曼显微镜载物台板上，使网状阳极朝上。将激光聚焦于镍和YSC基底的界面处，设置探针和光谱仪以获取矩形网格交叉点处的光谱。网格覆盖界面区域，交叉点间距为两微米，光谱应以目标拉曼模式对应的波数为中心。本例中，选择980 cm⁻¹作为硫氧化物的特征波数。下一步是对每条光谱中感兴趣的拉曼模式的强度进行积分，并除以同一光谱中平坦基线的值，随后可将相对强度根据其坐标绘制为等高线和彩色图。为了监测阳极的烧结过程，使用银浆将导线 C 固定的镍网密封至哈里克科学（Harrick Scientific）拉曼高温反应腔体载物台的边缘，腔体朝上放置，然后盖上拉曼载物台腔体的盖子。接下来，将样品室安装在拉曼显微镜上，使镍丝C边界处于视野中，并以约100标准立方厘米/分钟的流速向样品室通入加湿的、含4%分子氢和96%氩气的混合气体。随后将拉曼样品室加热至625摄氏度。调节激光聚焦，对镍网和YSC基底上的位点在150至2000 cm⁻¹范围内采集基线拉曼扫描谱图。接下来，将3%至5%的丙烷引入气流中，并在气体持续流动的过程中定期收集来自镍表面的原子力显微镜（AFM）和静电力显微镜（EFM）图像及谱图，以观察碳在表面随时间的沉积过程。使用纯镍箔制备样品，以便通过原子力显微镜或静电力显微镜进行碳沉积的可视化分析。从镍箔上裁剪出一块10毫米×1毫米的方形试片，并将其一个表面抛光至0.1微米粒度等级。参照此前步骤，在石英管炉中于550摄氏度条件下，将抛光后的镍试片暴露于含10%丙烷、以氩气为平衡气并经过加湿的流动气体中，持续1分钟。然后将样品从炉膛和石英管衬里中取出。通过光学显微镜和扫描电子显微镜检查表面形貌，为后续使用原子力显微镜和静电显微镜进行研究做好样品准备。使用铜导电胶带将样品固定在金属样品托上。接下来，将末端型硅基底、FM针尖或导电FM针尖安装到针尖 holder 上。然后将样品移至AFM中。使用轻敲模式下的AFM采集形貌图像，以用于抬升模式下的信息收集。抬升高度从100纳米开始，逐步降低至接近表面粗糙度的数值，从而使静电相互作用足够强，以实现EFM成像。在抬升模式下，于适当高度扫描样品，以同时获取形貌和相位角信息。找到清晰的相位或形貌界面，并在改变样品偏压的同时，沿该界面进行一系列EFM线扫描。然后通过比较不同样品偏压下的EFM线扫描结果，确定两种相态之间对比度发生反转的电压。接着，使用比切换电压低1至2伏的样品偏压采集一幅完整图像，再使用比切换电压高1至2伏的样品偏压采集另一幅图像。当样品表面被施加负偏压时，碳覆盖区域呈现亮色；而当样品被施加正偏压时，该区域则呈现暗色。在此模式下，可获得碳沉积的分布及表面形貌。镍网电极在分子氢和硫化氢条件下均进行了性能测试。如图所示，在767摄氏度下的典型电流-电压和电流-功率曲线表明，仅引入数百万分之几的硫化氢即可导致性能显著下降。以下是电池在阳极暴露于含有 0 和 20 ppm 硫化氢的燃料前后，在 767 摄氏度下的奈奎斯特图。电池的交流阻抗谱是在开路电压条件下测得的。左侧曲线代表典型的中毒行为，右侧曲线代表在 767 摄氏度下电池的典型恢复行为。在每百万分之二十的硫化氢和负零点三伏直流偏压条件下。中毒和恢复过程似乎都在几分钟内完成并达到稳定状态，这与较厚的镍丝所需的较长恢复时间不同。Odes 之前研究过一幅光学显微图像。左侧显示的是镍丝 C 界面。右侧为同一区域的拉曼图谱。该拉曼图谱显示了与多种硫氧化物相关的振动模式的强度。这些物种仅在镍表面被观察到，且集中在三相边界以外的区域。此图片为嵌入氧化钇稳定氧化锆（YSZ）中的镍网的光学显微照片。此图片为同一镍网在625摄氏度下暴露于含丙烷气体15小时后的形貌。右侧图为在丙烷中暴露15小时后，从左侧光学显微照片中标记位置原位采集的拉曼光谱。右侧显示的是碳拉曼信号随时间变化的强度增量，数据来自左侧光学显微照片中绿色标记位置随时间采集的强度。这两个面板可用于在相同条件下比较经屏障氧化物改性的镍 YSC 网格与未经改性的网格，以评估其抗共析碳性能的提升。两者均在 625 摄氏度下暴露于含丙烷气体中 15 小时。该扫描电子显微镜图像显示了镍表面在接触含丙烷气体后形成的不均匀暗斑。左侧为不同共晶程度区域的原子力显微镜图像。右侧则为同一区域的静电显微镜图像。在进行该操作时，需注意尽量保持样品表面洁净，避免抛光介质等其他污染物的干扰。请务必注意，操作高温炉和易燃气体时可能存在极高危险性，应采取适当的安全防护措施，例如佩戴防护装备并使用合适的报警装置。希望本视频能够帮助您了解如何获取固体氧化物燃料电池电极表面过程的相关信息，从而更好地设计电极材料。

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在固体氧化物燃料电池电极表面的探测和测绘

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微管式火焰辅助燃料电池的燃烧特性表征与模型燃料开发

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