חיטוט ומיפוי משטחי אלקטרודה דלק תאי תחמוצת מוצקות

Summary

אנו מציגים פלטפורמה ייחודית לאפיון משטחי האלקטרודה בתאי דלק תחמוצת מוצקים (SOFCs) המאפשרת ביצוע סימולטני של שיטות אפיון מרובות ( למשל באתר ספקטרוסקופיית ראמאן ומיקרוסקופיית צד מדידות אלקטרו). מידע משלים מניתוחים אלו עשויים לסייע להתקדם לקראת הבנה מעמיקה יותר של תגובת האלקטרודה ומנגנוני פירוק, מספק תובנה לעיצוב רציונלים של חומרים טובים יותר עבור SOFCs.

Abstract

תאי דלק תחמוצת מוצקים (SOFCs) הם פוטנציאל הפתרון היעיל ביותר וחסכוני לשימוש במגוון רחב של דלקים מעבר מימן ^1-7. הביצועים של SOFCs והשיעורים כימיים רבים ותהליכי שינוי אנרגיה באחסון אנרגיה ומרת התקנים באופן כללי מוגבלים בעיקר על ידי תשלום והעברה המונית לאורך משטחי האלקטרודה ומעבר ממשקים. למרבה הצער, הבנת מכניסטית של תהליכים אלה עדיין לוקה בחסר, בעיקר בגלל הקושי באפיון תהליכים אלה תחת תנאים באתרו. פער ידע זה הוא מכשול עיקרי למסחור SOFC. פיתוח כלים לחיטוט ומיפוי chemistries משטח רלוונטי לתגובות האלקטרודה הוא חיוני להתרת המנגנונים של תהליכי פני שטח ולהשגת עיצוב רציונלים של חומרי אלקטרודה חדשות לאחסון אנרגיה יעיל יותר וגיור ^2. בין המעטים יחסית באתר </ Em> שיטות ניתוח שטח, ספקטרוסקופיית ראמאן יכולה להתבצע גם עם טמפרטורות גבוהות ואווירות קשות, מה שהופך אותו לאידיאלי לאפיון תהליכים כימיים רלוונטיים לביצועים ושפלה ^8-12 האנודה SOFC. זה יכול לשמש גם לצד מדידות אלקטרוכימיים, פוטנציאל המאפשר קשר ישיר של אלקטרוכימיה לעלות על פני שטח כימיה בתא הפעלה. פרופר במדידות מיפוי ראמאן אתרו יהיה שימושי עבור מצביעים פיני מנגנוני תגובות האנודה חשובים בגלל הרגישות שלו למין הרלוונטי, כולל השפלת האנודה ביצועים באמצעות תצהיר פחם ^{8, 10, 13, 14} ("coking") והרעלת גופרית ^{11, 15} ואופן שבו שינויים על פני שטח להדוף שפלת ¹⁶ זה. העבודה הנוכחית מדגימה התקדמות משמעותית לקראת יכולת זו. בנוסף, המשפחה של מיקרוסקופיית טכניקות בדיקה (SPM) מספקת גישה מיוחדת לחקור אלקטרודה משטח עם רזולוציה בקנה מידה ננומטרי. חוץ מטופוגרפית המשטח שנאספה באופן שגרתי על ידי AFM ו STM, תכונות אחרות כגון מדינות אלקטרוניות מקומיות, מקדם דיפוזיה היון ופוטנציאל פני שטח יכולות להיות גם נחקרו ^17-22. בעבודה זו, מדידות אלקטרוכימיים, ספקטרוסקופיית ראמאן, וSPM היו להשתמש בשילוב עם פלטפורמת האלקטרודה מבחן רומן שמורכבת מהאלקטרודה רשת ניקל המוטבעת באלקטרוליט yttria-מיוצב zirconia (YSZ). בדיקות ביצועים וניידים ספקטרוסקופיה עכבה תחת דלק המכיל H ₂ S התאפיינו, ומיפוי ראמאן שמש להבהיר את הטבע של הרעלת גופרית נוספת. בניטור ראמאן אתר שמשו כדי לחקור התנהגות coking. לבסוף, מיקרוסקופי כוח אטומי (AFM) ומיקרוסקופי כוח אלקטרוסטטית (EFM) שמשו כדי להמחיש תצהיר פחם נוסף בקנה המידה ננומטרי. ממחקר זה, אנו רוצים לייצר תמונה מלאה יותר של האנודה SOFC.

Protocol

1. המצאה של תא האנודה Mesh YSZ-Embedded

1. תשקול את שתי מנות של 0.2 גר 'אבקת YSZ.
2. דחיסת אבקת 1 יצווה YSZ בעובש נירוסטה גלילית (13 מ"מ קוטר) עם עיתונאים יבשים uniaxial בלחץ של 50 MPa למשך 30 שניות.
3. חותך <חתיכת 1-סנטימטר של Ni רשת ולמקם אותו על פני השטח של דיסק YSZ בתוך התבנית.
4. הוסף שני 0.2 הגר 'אבקת YSZ על גבי Ni-הרשת בתוך התבנית ולשטח את פני השטח של האבקה באמצעות איל.

Results

ניתוח הרעלת גופרית

מוצגות באיור 4 הם עקומות IV ו-IP טיפוסיות של תא עם אלקטרודת ניקל רשת תחת H ₂ ומצבו 20 עמודים לדקת ה S _2. ברור, את ההקדמה של אפילו רק כמה עמודים לדקה של H ₂ S יכולה להרעיל את האנודה Ni-YSZ ולגרום לירידה בביצועים ניכרת.

על מנת להבין בצורה יותר אינטנסיבי התנהגות הרעלת האנודה Ni-YSZ, .......

Discussion

ניתוח הרעלת גופרית

ספקטרום העכבה מוצג באיור 5 מראה כי הרעלת גופרית היא משטח או תופעת interfacial ולא אחד שמשפיע על הכמות הגדולה של החומר. באופן ספציפי, ההרעלה המהירה של האלקטרודה רשת ניקל (איור 6) עשויה לנבוע מהחשיפה הישירה של אלקטרודה ניקל לדלק, הגז וגופרית הספיחה הבאה; חילוף גזים לא להגביל את קצב התהליך הזה בדיוק כמו במקרה של האנודה ניקל / YSZ נקבובית עבה. גופרית adsorbed חזק או ב.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
שם מגיב / חומרים	חברה	מספר קטלוגים	תגובות
רשת ניקל	אלפא Aesar	CAS: 7440-02-0
רדיד ניקל	אלפא Aesar	CAS: 7440-02-0
YSZ אבקה	TOSOH	הרבה לא: S800888B
Ag דבק	Heraeus	C8710
תחמוצת בריום	סיגמה אולדריץ	1304-28-5
חוט כסף	אלפא Aesar	7440-22-4
אצטון	VWR	67-64-1
אתנול	אלפא Aesar	64-17-5
UHP H 2	Airgas		99.999% טוהרים
100 עמודים לדקה H 2 S / H 2	Airgas		תמהיל מוסמך מותאם אישית
סוג n סי קצה AFM	MikroMasch	NSC16	10 רדיוס עצת ננומטר
Au מצופה קצה AFM	MikroMasch	CSC11/Au/Cr	רדיוס עצת ננומטר 20-30
ראמאן ספקטרומטר	Renishaw	RM1000
אר יון ליזר	ModuLaser	StellarPro 150
ליזר He-Ne	Thorlabs	HPL170
מיקרוסקופ כוח אטומי	Veeco	Nanoscope IIIA
עובר שלב ראמאן	לפני מדעי	H101RNSW
מיקרוסקופ אופטי	ליקה	DMLM
במיקרוסקופ אלקטרוני סורק	ליאו	1550
צינור תנור	מערכות בדיקה של Applied	2110
לטש	ברית מוצרי הייטק	MetPrep
6 מיקרומטר גריסת תקשורת	ברית מוצרי הייטק	50-50040M
3 מדיה פוליש מיקרומטר	ברית מוצרי הייטק	90-30020
1 מדיה פוליש מיקרומטר	ברית מוצרי הייטק	90-30015
0.1 תקשורת פוליש מיקרומטר	ברית מוצרי הייטק	90-32000
ראמאן קאמרי	Harrick מדעי	HTRC