Exploration et cartographie des surfaces d'électrodes en piles à oxyde solide

L’objectif de l’expérience suivante est de promouvoir la compréhension des mécanismes de réaction et de dégradation de l’oxyde solide, de la pile à combustible ou de l’électrode SOFC pour les cellules fonctionnant avec des combustibles contaminés par des hydrocarbures et du soufre. Fournissant ainsi des informations sur la conception rationnelle des matériaux SOFC. Ceci est réalisé en fabriquant des cellules avec une électrode de travail composée d’une électrode en maille de nickel incorporée dans de l’irea, de la zircone stabilisée ou de l’YSC et en testant les performances électrochimiques et la stabilité des cellules dans des combustibles contenant des hydrocarbures et du sulfure d’hydrogène.

Dans un deuxième temps, la spectroscopie Raman est réalisée sur l’électrode maillée dans des conditions in situ U et XE deux, ce qui fournit des informations sur les espèces chimiques et les phases impliquées dans la dégradation de l’électrode, où la dégradation se produit et comment elle peut être évitée. Ensuite, des techniques de microscopie à sonde à balayage sont utilisées pour caractériser l’électrode afin de visualiser la dégradation de l’électrode et la morphologie de surface à l’échelle nanométrique. Le principal avantage de ces techniques par rapport à d’autres méthodes d’analyse de surface, telles que les prospies SPECT électroniques, est qu’elles ne nécessitent pas de vide poussé pour fonctionner.

Ces méthodes peuvent aider à recueillir des informations utiles dans le domaine des piles à combustible à oxyde solide, telles que la nature des mécanismes qui déterminent les performances et la dégradation de l’électrode. Les implications de ces techniques s’étendent à l’oscopie microscopique et aux processus de transformation de l’énergie. Par conséquent, ils intéresseraient les scientifiques matures, les électrochimistes, les copies spéciales et d’autres intérêts.

Ces sujets, cependant, ces techniques ont été développées pour sonder et cartographier les processus de surface des électrodes dans les piles à combustible à oxyde de sel. Ils peuvent également être appliqués à des systèmes électrochimiques tels que les batteries et les supers. Pour commencer la fabrication de la cellule d’anode, pesez deux lots de deux dixièmes de gramme de poudre YSZ à l’aide d’une presse à sec uniaxiale et d’un moule cylindrique en acier inoxydable.

D’un diamètre de 13 millimètres, compressez un lot de poudre YSZ à une pression de 50 mégapascals pendant 30 secondes. Ensuite, coupez un morceau de moins d’un centimètre de taille, un treillis de nickel 50 tissé à partir d’un fil de 50 micromètres, et placez-le sur la surface du disque Z de fil à l’intérieur du moule. Ensuite, ajoutez les deux dixièmes de gramme restants de poudre YSC sur le treillis de nickel à l’intérieur du moule et aplatissez la surface de la poudre à l’aide d’un bélier.

Appuyez sur le sandwich en maille de nickel entre les paquets de poudre YSC uni axialement, et une pression de 300 échelles MegaPath pendant 30 secondes est appliquée. Extrayez maintenant la pastille de nickel YSC pressée du moule. Placez le granulé dans un creuset en zircone et placez le creuset dans un four tubulaire horizontal avec une atmosphère de gaz réducteur à 4 % d’hydrogène moléculaire et à 96 % d’argon.

Tirez la pastille à 1 440 degrés SIU pendant cinq heures après la fabrication et le refroidissement de l’électrode. Meulez mécaniquement une face du fil C centré de l’échantillon, en utilisant un grain de diamant de six micromètres jusqu’à ce que la surface du treillis de nickel soit révélée. Continuez à polir la surface exposée du treillis de nickel à l’aide d’un média diamanté de trois micromètres, un micromètre et 0,1 micromètre dans une suspension d’éthylène glycol d’eau pendant environ une minute à chaque étape de polissage pour produire un treillis avec une résistance accrue à l’engrenage.

Après le nettoyage et le séchage, disposez l’échantillon et enterrez la poudre d’amide dans le creuset de manière à ce qu’ils ne se touchent pas. Ensuite, faites cuire l’échantillon à 1 200 degrés Celsius pendant deux heures dans une atmosphère réductrice. Préparez l’échantillon pour les tests électrochimiques en peignant au pinceau de la pâte d’argent sur la surface du fil C opposée au treillis de nickel pour agir comme une contre-électrode.

Après séchage, fixez un fil d’argent enroulé à la contre-électrode à l’aide de pâte d’argent et connectez un fil d’argent de 0,2 millimètre de diamètre au treillis de nickel à l’aide de pâte d’argent sur la pointe. Après avoir séché l’échantillon, scellez à nouveau la cellule avec le treillis de nickel au-dessus d’un tube de fixation de cellule en céramique de trois huitièmes de pouce à l’aide d’un sceau remco 5 5 2, également connu sous le nom de liaison cera. Une fois le scellant sec, connectez les fils d’argent isolés aux fils conducteurs de l’électrode.

Ensuite, montez le luminaire de la cellule dans un four tubulaire. Connectez le luminaire à une conduite de gaz et fixez les fils à l’équipement d’essai électrochimique. Ensuite, bullez de l’hydrogène moléculaire gazeux de très haute pureté à travers de l’eau à température ambiante pour l’humidifier à 3 % du volume d’eau.

Dirigez ce gaz humidifié à travers le luminaire à une vitesse de 50 centimètres cubes standard par minute. Après avoir correctement chauffé la cellule et centré la contre-électrode d’argent, appelez la cellule à 767 degrés Celsius pour un test de performance électrochimique. Une fois le test terminé et l’échantillon préparé pour la caractérisation, fixez la cellule à l’aide de ruban adhésif ou d’adhésif sur la plaque de la platine du microscope ramen avec l’anode en maille vers le haut.

Avec le laser focalisé sur une interface de nickel et de substrat YSC, réglez le vérin et le spectromètre pour obtenir des spectres à partir des intersections d’une grille rectangulaire. En recouvrant l’aire de l’interface avec des intersections séparées de deux micromètres, les spectres doivent être centrés autour du nombre d’onde correspondant au mode Raman d’intérêt. Dans ce cas, 980 centimètres inverses sont choisis pour les oxydes de soufre.

L’étape suivante consiste à intégrer l’intensité sur le mode Raman d’intérêt pour chaque spectre et à diviser par une ligne de base plate avec le même spectre, l’intensité relative peut ensuite être tracée dans une carte de contour et de couleur par rapport à ses coordonnées. Pour surveiller l’articulation de l’anode, utilisez de la pâte d’argent pour sceller le treillis de nickel incorporé dans le fil C au bord d’un étage de la chambre de réaction à haute température Harrick Scientific Ramen vers le haut. Ensuite, bouchez la chambre d’étape des ramen.

Ensuite, montez la chambre d’échantillonnage sur le microscope Rama avec une limite C de fil de nickel en vue et commencez à faire circuler de l’hydrogène moléculaire humidifié à 4 % et du gaz argon à 96 % à travers la chambre à environ 100 centimètres cubes standard par minute. Chauffez maintenant la chambre à ramen à 625 degrés Celsius. Faites la mise au point sur le laser et collectez des scans de ramen de base à partir de points sur le maillage de nickel et le substrat YSC dans la gamme de 150 à 2000 centimètres inverses.

Ensuite, introduisez 3 à 5 % de propane dans le flux de gaz et collectez le bélier et les spectres du nickel à intervalles réguliers pendant que le gaz s’écoule Pour observer le dépôt de carbone à la surface au fil du temps. La feuille de nickel pur est utilisée pour la visualisation du dépôt de carbone par microscopie à force atomique ou une microscopie à force atomique et une microscopie à force électrostatique ou EFM à l’aide d’un coupon carré de 10 millilitres par un millilitre coupé dans une feuille de nickel polie une face du coupon jusqu’à la pente de 0,1 micromètre. En suivant les étapes utilisées précédemment dans un four revêtu de tubes de quartz à 550 degrés Celsius, le coupon de nickel poli a été exposé à un gaz humidifié contenant 10 % de propane équilibré par de l’argonne, pendant une minute.

Retirez ensuite l’échantillon du four et du revêtement du tube de quartz. Inspecter la morphologie de surface par microscopie optique et microscopie électronique à balayage afin de préparer l’échantillon pour l’étude à l’aide de la microscopie à force atomique et de la microscopie à force électrostatique. Montez l’échantillon sur une rondelle métallique à l’aide de ruban conducteur en cuivre.

Ensuite, installez une base en silicone de type terminal, une pointe FM ou une pointe FM conductrice sur le support de pointe. Apportez maintenant l’échantillon à l’A FM. Ensuite, collectez une image morphologique à l’aide d’un FM en mode tapotement pour recueillir des informations en mode lift. Commencez par la hauteur de levage à 100 nanomètres et diminuez-la progressivement jusqu’à environ la valeur de la rugosité de la surface afin que l’interaction électrostatique puisse être suffisamment forte pour l’imagerie EFM.

Balayez l’échantillon à la hauteur appropriée en mode lifting. Collecter des informations sur la topographie et l’angle de phase. Identifiez une phase claire ou une interface morphologique et collectez une série de balayages linéaires EFM sur cette interface tout en modifiant le biais d’échantillonnage.

Identifiez ensuite la tension à laquelle le contraste entre les deux phases s’inverse en comparant les balayages de ligne EFM à différents potentiels de polarisation d’échantillon. Ensuite, collectez une image complète en utilisant un biais d’échantillonnage qui est d’un à deux volts en dessous de la tension de commutation et collectez une autre image avec le biais d’échantillon d’un à deux volts au-dessus de la tension de commutation. La zone couverte par le carbone apparaît lumineuse lorsque l’échantillon est biaisé négativement et apparaît sombre lorsqu’il est biaisé positivement en balayant la surface de l’échantillon.

Dans ce mode, la distribution et la morphologie de surface du dépôt de carbone peuvent être obtenues. Les performances de l’électrode en maille de nickel ont été testées à la fois dans des conditions d’hydrogène moléculaire et de sulfure d’hydrogène. Résultats typiques pour les courbes de tension et de puissance de courant à 767 degrés Celsius Comme illustré ici, l’introduction de seulement quelques parties par million de sulfure d’hydrogène peut entraîner une dégradation considérable des performances.

Voici des graphiques de Nyquist pour la pile avant et après que l’anode ait été exposée à des carburants contenant zéro et 20 parties par million de sulfure d’hydrogène à 767 degrés Celsius. La spectroscopie d’impédance AC de la cellule a été réalisée dans des conditions de tension en circuit ouvert. La courbe de gauche est le comportement d’empoisonnement typique, et le côté droit est le comportement de récupération typique de la cellule à 767 degrés Celsius.

Moins de 20 parties par million de sulfure d’hydrogène et une polarisation CC de moins trois dixièmes de volts. L’empoisonnement et la récupération semblent se terminer et atteindre un état stable en quelques minutes, ce qui est différent des longs temps de récupération nécessaires pour un fil de nickel plus épais. Odes a déjà étudié une micrographie optique.

L’interface C du fil de nickel est illustrée à gauche. Une carte des ramen de la même zone se trouve sur la droite. La carte des ramen montre l’intensité d’un mode associé à divers oxydes de soufre.

Les espèces ont été observées exclusivement à la surface du nickel et ont été concentrées loin des limites triphasiques. Cette image est une micrographie optique du treillis de nickel intégré dans YSZ. Cette image est la même maille après une exposition au gaz contenant du propane à 625 degrés Celsius pendant 15 heures.

La figure de droite est un spectre Raman collecté in situ à partir des points marqués sur la micrographie optique à gauche après 15 heures d’exposition au propane. Sur la droite, on voit un plus du changement dans le signal des ramen en carbone. Intensité recueillie au fil du temps à partir de l’emplacement identifié par la tache verte sur la micrographie optique à gauche.

Ces deux panneaux permettent de comparer le treillis en nickel YSC modifié avec de l’oxyde barrière pour donner une résistance accrue à l’engrenage dans les mêmes conditions que le treillis non modifié. Les deux ont été exposés à du gaz contenant du propane à 625 degrés Celsius pendant 15 heures. Cette image au microscope électronique à balayage montre les taches sombres homogènes formées à la surface du nickel après qu’il a été exposé à un gaz contenant du propane.

À gauche, des images au microscope à force atomique de régions avec différents niveaux de résistance. Ces mêmes régions sont également imagées à l’aide de la microscopie à force électrostatique sur la droite lors de la tentative de cette procédure. Il est important de ne pas oublier de garder certaines surfaces aussi dégagées que possible d’autres contaminants tels que les supports polis.

N’oubliez pas que travailler avec des fournaises à haute température et des gaz inflammables peut être extrêmement dangereux et que des précautions appropriées doivent être prises, telles que le port d’un équipement de protection et l’utilisation d’alarmes appropriées. J’espère que cette vidéo a illustré comment obtenir des informations sur les processus de surface des électrodes dans les piles à combustible à oxyde de cellule, ce qui vous aidera à mieux concevoir les matériaux d’électrode.