Hochtemperatur Herstellung von Nanostrukturierte Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid (YSZ) Scaffolds durch In Situ Carbon-Templating Xerogele

Zusammenfassung

Ein Protokoll für die Herstellung von porösen, nanostrukturierte Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumoxid (YSZ) Gerüsten bei Temperaturen zwischen 1000 ° C und 1400 ° C dargestellt.

Zusammenfassung

Wir zeigen , ein Verfahren für die Hochtemperatur - Herstellung von porösem, nanostrukturierte Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumoxid (YSZ, 8 Mol-% Yttriumoxid - 92 Mol% Zirkonoxid) mit Gerüsten abstimmbaren spezifischen Oberflächen bis zu 80 m ² · g ^-1. Eine wässrige Lösung aus einem Zirkoniumsalz, Yttrium-Salz und Glucose mit Propylenoxid (PO) gemischt, um ein Gel zu bilden. Das Gel wird unter Umgebungsbedingungen getrocknet, um ein Xerogel zu bilden. Das Xerogel wird zu Pellets gepresst und dann in einer Argonatmosphäre gesintert. Während des Sinterns eine YSZ Keramikphase bildet und die organischen Bestandteile zersetzen, hinter amorphem Kohlenstoff zu verlassen. Der Kohlenstoff in situ gebildet wird, dient als eine harte Vorlage, eine hohe Oberfläche YSZ Nanomorphologie Konservierung bei der Temperatur des Sinterns. Der Kohlenstoff wird dann durch Oxidation in Luft bei niedriger Temperatur entfernt, was in einem porösen, nanostrukturiertem YSZ Gerüsts. Die Konzentration der Kohlenstoff-Vorlage und die letzten Gerüsts Oberfläche kann seine systematischely abgestimmt durch die Glucose-Konzentration in der Gel-Synthese verändert wird. Die Kohlenstoffkonzentration wurde unter Verwendung von Template-thermogravimetrischer Analyse (TGA) quantifiziert wurde die Oberfläche und die Porengrößenverteilung durch physikalische Adsorptionsmessungen bestimmt, und die Morphologie wurde unter Verwendung von Rasterelektronenmikroskopie (SEM) charakterisiert. Phasenreinheit und Kristallitgrße wurde unter Verwendung von Röntgenbeugung (XRD) bestimmt. Dieses Herstellungs Ansatz stellt eine neue, flexible Plattform für die Realisierung beispiellos Gerüstflächen und Nanomorphologien auf Keramikbasis für die elektrochemische Energieumwandlungsanwendungen, zB Festoxid - Brennstoffzelle (SOFC) Elektroden.

Einleitung

Die Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) ist sehr vielversprechend als alternative Energieumwandlungstechnologie für die effiziente Erzeugung von sauberen elektrischer Energie. ¹ wurden erhebliche Fortschritte in der Forschung und Entwicklung dieser Technologie hergestellt; jedoch sind Verbesserungen in der Elektrodenleistung noch benötigt zuverlässige Vermarktung zu erreichen. Die Elektrode umfasst häufig ein poröses Keramikgerüst mit elektrokatalytischen Teilchen auf der Gerüstoberfläche eingerichtet. Eine große Menge an Forschung hat sich auf die Erhöhung der Oberfläche der elektrokatalytischen Partikel konzentriert die Leistung zu erhöhen, ^{2, 3, 4, 5, 6, 7, 8} , aber es gibt sehr wenig Forschung auf die Gerüstoberfläche erhöht wird . Eine Erhöhung der GerüstflächeGebiet ist schwierig, weil sie bei hohen Temperaturen gesintert werden, 1.100 ° C bis 1.500 ° C.

Scaffolds durch traditionelle Sintern verarbeitet hat typischerweise eine spezifische Oberfläche von 0,1-1 m ² · g ^{-1. 8, 9, 10, 11} Es gibt einige Berichte über das Gerüst Oberfläche vergrößert wird . In einem Fall wurde die Oberfläche eines traditionellen Sintergerüst durch Auflösung und Ausfällung des Gerüsts oberflächenverstärkten Flußsäure, eine spezifische Oberfläche von 2 m ² · g ^-1 erreicht wird . ¹² In einem weiteren, hohe Temperaturen wurden mit gepulster Laserabscheidung vollständig vermieden, eine spezifische Oberfläche von 20 m ² · g ^-1 erreicht wird . ¹³ Die Logik hinter der Entwicklung unserer Technik war eine kostengünstige Herstellung zu schaffenProzess, die Oberflächenbereiche beispiellos Gerüst liefert und verwendet traditionelle Sintertemperaturen, so dass der Prozess leicht angenommen werden kann. Mit der Technik , die hier berichtet, Bereiche Gerüstfläche bis zu 80 m ² · g ^-1 wurde gezeigt , dass bei herkömmlichen Sintertemperaturen verarbeitet , während sie . ¹⁴

Unsere Forschung wird von SOFC-Elektroden-Technik in erster Linie motiviert, aber die Technik ist breit anwendbar auf andere Bereiche und Anwendungen. Im allgemeinen ist die in situ Kohlenstoff Templat Verfahren ein flexiblerer Ansatz, den nanostrukturierte, mit hohen Oberfläche gemischten Metall - Keramik - Materialien , die in dem Pulver oder poröse Gerüstform erzeugen kann. Es ist flexibel, daß die Mischmetall-Keramik-Zusammensetzung, Oberfläche, Porosität und Porengröße können alle systematisch eingestellt werden. Hohe Temperaturen werden häufig in Mischmetallkeramik um die gewünschte Phase zu bilden, benötigt wird, und diese Vorgehensweise erhält keramische Nanomorphologie während so dass man im Wesentlichen jede Verarbeitungstemperatur zu wählen.

Dieses Verfahren beinhaltet die Synthese eines hybriden anorganisch-organischen Propylen- Oxidbasis Gel, mit einer gut definieren Stöchiometrie von Metallionen und das Verhältnis von anorganischen zu organischen Gehalt. Das Gel wird unter Umgebungsbedingungen getrocknet, um ein Xerogel zu bilden. Das Xerogel wird in einer Argonatmosphäre auf die gewünschte Temperatur gesintert. Beim Erhitzen zersetzt sich das organische Komponente hinter einer Kohlenstoff - Vorlage in situ zu verlassen, die für die Dauer des Sinter bleibt. Die Kohlenstoff-Vorlage wird anschließend durch Niedertemperaturoxidation in Luft entfernt, was zu einer nanostrukturierten, mit hohen Oberfläche Keramik.

Protokoll

1. Vorbereiten Xerogel Pellets

1. Gel-Synthese
   1. Hinzufügen eines 25 mm magnetischen Rührstab und 113 ml entionisiertes Wasser in einen 500 ml Becher. Magnetisch rührt das VE-Wasser mit der höchsten Rate, die nicht einen Wirbel bildet.
   2. Langsam 13.05 g (0.056 mol) wasserfreiem Zirkonchlorid zu dem entionisierten Wasser in kleinen Schritten hinzuzufügen. Nachdem alle der wasserfreien Zirkoniumchlorid aufgelöst hat, fügen 53,29 g (0,296 mol) Glucose, um die Lösung.
   3. Nachdem die gesamte Glucose in der Lösung gelöst wurde, fügen 3,73 g (0,01 mol) Yttriumnitrathexahydrat zu der Lösung. Erhöhen der Geschwindigkeit der magnetischen Rühren auf ~ 700 Upm und warten alle der Yttriumnitrathexahydrat in Lösung aufzulösen.
   4. Fügen Sie 42 ml Propylenoxid zu der Lösung. Weiter bei ~ 700 Upm gerührt wurde für das Propylenoxid mit der wässrigen Lösung zu mischen. Sobald das Propylenoxid mit der wässrigen Lösung (~ 10 s) gemischt wird, verringert die magnetischen Rühren to ~ 150 Umdrehungen pro Minute.
   5. Weiterhin Rühren, bis der magnetische Rührstab wird zur Bildung des Gels wegen nicht mehr bewegt. Das Gel bildet typischerweise innerhalb von 3 min.
      ANMERKUNGEN: wasserfreies Zirkonchlorid zu entionisiertem Wasser hinzuzufügen ist eine stark exotherme Reaktion und die wasserfreie Zirconiumchlorid wird plume wenn es zu schnell hinzugefügt wird.
      Die Formulierung, die in Abschnitt 1.1 versehen. entspricht einer Glucose Gesamtmetalle (Zirkonium + Yttrium) Molverhältnis von 4,5: 1. Die repräsentativen Ergebnisse Abschnitt enthält Daten für Glucose zu Gesamtmetall Molverhältnisse von 0: 1, 2,25: 1 und 4,5: 1. Die Menge an Glucose in der Formulierung ist nur durch die Löslichkeit von Glukose in der Lösung begrenzt. Als Referenz ist die maximale Löslichkeit von Glucose in Wasser bei 20 ° C 47,8 Gew%. ¹⁵
2. Altern und Waschen der Gel
   1. Dicht bedecken den Becher das Gel mit Parafilm und lassen Sie es Alter 24 h nach dem Verlassen des abgedeckten Becher bei Raumtemperatur.
   2. Entfernen der Abdeckung aus dem Becher und dekantieren, die Flüssigkeit auf der Oberseite des Gels.
   3. Hinzufügen von 300 ml absolutem Ethanol in das Becherglas, das Gel enthaltenden, dicht das Becherglas mit Parafilm abgedeckt und für 24 h verläßt das abgedeckten Becherglas bei Raumtemperatur.
   4. Wiederholen Sie Schritt 1.2.3 zwei weitere Male für insgesamt drei Waschungen Ethanol über einen Zeitraum von insgesamt 72 Stunden.
3. Trocknen des Gels in ein Xerogel
   1. Nehmen Sie das Gel aus dem Becherglas und gibt sie in einem 2 L Porzellan Abdampfschale (24 cm Außendurchmesser oben) mit einem Laborspatel verwendet.
   2. Brechen des Gels in etwa 1 cm x 1 cm große Stücke mit einem Spatel verteilt und die Teile über der Oberfläche der Verdampfungsschale.
   3. Lassen Sie die Gelstücke eine Woche lang unter Umgebungsbedingungen trocknen oder bis das Gel trocken ist. Das Gel wird als trocken, wenn es kann zu einem feinen Pulver gemahlen werden.
   4. Grind alle Xerogel in ein feines Pulver mit einem Mörser und Stößel.
      HINWEIS: Sobald das Gel trocken ist, ist esals ein Xerogel, weil sie unter Umgebungsbedingungen getrocknet wurde.
4. Durch Drücken des Xerogel in eine Pellet
   1. Platzieren von 1 g Xerogel-Pulver zu einem zylindrischen Pellet Pressmatrize mit einem Durchmesser von 13 mm.
   2. Unter Verwendung einer hydraulischen Presse, gelten 22 kN Kraft für 90 s des Xerogels Gel in ein Pellet zu drücken.
   3. Langsam die von der Presse ausgeübten Kraft lösen. auswerfen langsam das Pellet des Pellets sterben und dann das Pellet vorsichtig entfernen.

2. Sintern der Xerogel Pellet in einer inerten Atmosphäre

1. Legen Sie das Pellet Xerogel auf einem Aluminiumoxid oder Yttriumoxid stabilisiertem Zirkondioxid Platte und Laden der Platte in der Mitte eines Röhrenofens.
2. Argon fließt mit einer Geschwindigkeit von einem Drittel des Volumens des Arbeitsrohres in der Minute. Dies entspricht eine Argon - Flussrate von 750 ml · min ^-1 für das Arbeitsrohr in dieser Arbeit verwendet. Entlüften Gasauslass an einer Abzugshaube.
3. Strömungs Argon für mindestens 15 min before Starten des Rohrofen zu erhitzen.
4. Argon mit einer konstanten Rate, die Programm-Rohrofen Temperaturregler auf die folgenden Heizschema während kontinuierlich fließt:
   1. Halten Sie für 15 Minuten bei Raumtemperatur.
   2. Erwärme auf 850 ° C mit einer Anstiegsgeschwindigkeit von 5 ° C · min ^-1.
   3. Wärme auf die gewünschte Sintertemperatur mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 2 ° C · min ^-1.
   4. Halte an der gewünschten Sintertemperatur für 2 h.
   5. Abkühlen auf 850 ° C mit einer Anstiegsgeschwindigkeit von 2 ° C · min ^-1.
   6. Abkühlen auf Raumtemperatur mit einer Anstiegsgeschwindigkeit von 5 ° C · min ^-1.
5. Starten Sie das Programm und überprüfen, daß der Rohrofen nach dem Zeitplan in Abschnitt 2.3 vorgesehen aufheizt.
6. Entfernen Pellet aus dem Rohrofen nach dem Heizprogramm abgeschlossen hat.

3. Bestimmung Kohlenstoff Templatkonzentration

1. Schneiden Sie ein ~ 50 mg Stück aus derSinter Xerogel Pellte mit einem Messer Dienstprogramm und mahlt es zu einem feinen Pulver mit einem Achatmörser und Stößel.
2. Ort ~ 50 mg des feinen Pulvers in einen Aluminiumoxidprobenbecher für die thermogravimetrische Analyse.
3. Unter Verwendung eines thermogravimetrischen Analysators (TGA), erwärmen , um die Probe mit einer Geschwindigkeit von 10 ° C · min ^-1 von Umgebungstemperatur bis 1.200 ° C , während bei einer Geschwindigkeit von 100 ml Luft über die Probe fließen · min ^-1.
4. Berechnen Sie die prozentuale Gewichtsänderung, die zwischen ~ 350 ° C und -700 ° C stattfindet. Diese Gewichtsprozent entspricht der Gesamtkohlenstoffgehalt in der Probe.
   HINWEIS: Wenn eine Gewichtszunahme in der 350 ° C stattfindet bis 700 ° C-Bereich, eine Carbid Phase gebildet wird und die Berechnung des Kohlenstoffgehaltes ist komplexer. Für diesen Fall finden Sie auf Berechnungen in der Literatur beschrieben. ¹⁴ Kohlenstoff - Elementaranalyse wurde verwendet , dass Kohlenstoffgehalt bestätigen kann von TGA Messungen berechnet werden.

4. Vorbereitung Hoch Fläche YSZ Scaffold durch Carbon-Templatentfernung

1. Legen Sie das gesinterte Xerogel Pellet in einem Aluminiumoxidtiegel.
2. Den Tiegel in einen Muffelofen bei 700 ° C für 2 h.
3. Entfernen Sie vorsichtig den heißen Tiegel aus dem Muffelofen mit Edelstahl Tiegelzange und lassen Sie sich eine Stunde auf Raumtemperatur abkühlen lassen, bevor das poröse, weiß YSZ Gerüst zu entfernen.

Ergebnisse

Phasenreinheit wurde durch Röntgenbeugung (XRD) , wie früher berichtet von Cottam et al bestätigt. ¹⁴ YSZ Gerüst spezifische Oberfläche als eine Funktion der Kohlenstoff Matrizenkonzentration ist in Abbildung 1 dargestellt. Die Konzentration wird als Volumenprozent der Gesamtfeststoffe in dem gesinterten Pellet Xerogel gezeigt. Die Kohlenstoffkonzentration erhöht template systematisch mit Glucosekonzentration in der Gelformulierung zu erh...

Diskussion

Mit diesem in situ Ansatz Kohlenstoff Templating, kann man schaffen und Nanomorphologie in Mischmetalloxiden bei herkömmlichen Keramikgerüsten Sintertemperaturen erhalten. Die sich ergebende Oberflächenbereiche sind bis zu 80-mal höher als die traditionell Sintergerüsten und bis zu 4-mal höher als Gerüste durch komplexe Ablagerungstechniken hergestellt. ¹⁴ Die propylenoxid-glucose Gelsystem ist äußerst flexibel , um die Konzentration der Kohlenstoff Schablone zum Abstimmen, so dass man s...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Zirkonium(IV)-chlorid, 99,5+%	Alfa Aesar	12104	Luftempfindliches
Yttium(III)-nitrathexadydrat, 99,9	Alfa Aesar	12898	Oxidationsmittel
D+ wasserfreie Glukose, ≥ 99.5%	US Biological Life Sciences	G3050
(±)-Propylenoxid, ≥ 99%	Sigma Aldrich	110205	Extrem entflammbares
Ethanol 200 Proof	Decon Laboratories, Inc.	2716GEA
Argon, 99.997%	Airgas	AR 300	Industriequalität