חיטוט ומיפוי משטחי אלקטרודה דלק תאי תחמוצת מוצקות

מטרת הניסוי הבא היא לקדם את ההבנה של תגובת אלקטרודות תחמוצת מוצקה, תאי דלק או SOFC ומנגנוני פירוק עבור תאים הפועלים על דלקים מזוהמים פחמימנים וגופרית. ובכך מספק תובנות לגבי תכנון רציונלי של חומרי SOFC. זה מושג על ידי ייצור תאים עם אלקטרודה עובדת המורכבת מאלקטרודה רשת ניקל המוטמעת באיריאה, זירקוניה מיוצבת או YSC ובדיקת הביצועים האלקטרוכימיים והיציבות של התאים בדלקים המכילים פחמימנים ומימן גופרתי.

כשלב שני, ספקטרוסקופיה של ראמאן מבוצעת על אלקטרודת הרשת בשני תנאים של U ו-XE באתר, המספקים מידע על המינים הכימיים והשלבים המעורבים בפירוק האלקטרודות, היכן מתרחשת הפירוק וכיצד ניתן למנוע אותו. לאחר מכן, נעשה שימוש בטכניקות מיקרוסקופ בדיקה סורקות כדי לאפיין את האלקטרודה על מנת להמחיש פירוק אלקטרודות ומורפולוגיה של פני השטח בקנה מידה ננומטרי. היתרון העיקרי של טכניקות אלו על פני שיטות ניתוח משטח אחרות, כגון פרוספיות SPECT אלקטרוניות, הוא שהן אינן דורשות ואקום גבוה להפעלה.

שיטות אלו יכולות לסייע באיסוף מידע שימושי בתחום תאי דלק תחמוצת מוצק, כגון אופי המנגנונים הקובעים את ביצועי האלקטרודה והשפלה. ההשלכות של טכניקות אלה משתרעות על תהליכי אוסקופיה מיקרוסקופית וטרנספורמציה אנרגטית. לכן, הם יעניינו מדענים בוגרים, אלקטרו-כימאים, עותקים מיוחדים ותחומי עניין אחרים.

עם זאת, הטכניקות הללו פותחו לבדיקה ומיפוי של תהליכי פני השטח של אלקטרודות בתאי דלק של תחמוצת מלח. ניתן ליישם אותם גם על מערכות אלקטרוכימיות כגון סוללות וסופרים. כדי להתחיל לייצר את תא האנודה שקלו שתי קבוצות של שתי עשיריות גרם של אבקת YSZ באמצעות מכבש יבש חד צירי ותבנית נירוסטה גלילית.

קוטר 13 מילימטרים דוחסים אצווה אחת של אבקת YSZ בלחץ של 50 מגה-פסקל למשך 30 שניות. לאחר מכן חותכים חתיכה בגודל של פחות מסנטימטר אחד, רשת ניקל 50 ארוגה מחוט של 50 מיקרומטר, ומניחים אותה על פני דיסק החוט Z בתוך התבנית. לאחר מכן, מוסיפים את שתי עשיריות הגרם האחרות של אבקת YSC על גבי רשת הניקל בתוך התבנית ומשטחים את פני האבקה בעזרת איל.

לחץ על כריך רשת הניקל בין חבילות אבקת YSC באופן חד צירי, ולחץ של 300 MegaPath משתנה למשך 30 שניות. כעת חלץ את גלולת הניקל YSC הדחוסה מהתבנית. הנח את הגלולה בכור היתוך זירקוניה והנח את כור ההיתוך לתנור צינור אופקי עם אווירת גז מפחיתה זורמת של 4% מימן מולקולרי ו-96% ארגון.

ירה את הגלולה ב-1,440 מעלות SIU למשך חמש שעות לאחר שהאלקטרודה יוצרה והתקררה. טוחנים מכנית פנים אחד של החוט הממורכז C מהדגימה, באמצעות חצץ יהלום של שישה מיקרומטר עד לחשיפת משטח רשת הניקל. המשך ללטש את משטח רשת הניקל החשוף באמצעות שלושה מיקרומטר, מיקרומטר אחד ו-0.1 מיקרומטר מדיה יהלום בתרחיף מים אתילן גליקול למשך כדקה אחת בכל שלב ליטוש כדי לייצר רשת עם עמידות מוגברת לציפוי.

לאחר הניקוי והייבוש, מסדרים את הדגימה וקוברים אבקת אמיד בכור ההיתוך כך שלא ייגעו. לאחר מכן ירו את הדגימה בטמפרטורה של 1,200 מעלות צלזיוס למשך שעתיים באטמוספירה מצמצמת. הכן את הדגימה לבדיקה אלקטרוכימית על ידי צביעת מברשת משחת כסף על משטח החוט C מול רשת הניקל כדי לשמש כאלקטרודה נגדית.

לאחר הייבוש מחברים חוט כסף מפותל לאלקטרודה הנגדית באמצעות משחת כסף ומחברים חוט כסף בקוטר 0.2 מילימטר לרשת הניקל באמצעות משחת כסף בקצה. לאחר ייבוש הדגימה, שוב, אטמו את התא עם רשת הניקל כלפי מטה על גבי שלוש שמיניות של צינור מתקן תא קרמי באמצעות אטם רמקו 5 5 2, הידוע גם בשם קשר סרה. לאחר שחומר האיטום מתייבש, חבר את חוטי הכסף המבודדים לחוטי האלקטרודה.

לאחר מכן, הרכיב את מתקן התא בתנור צינורי. חבר את המתקן לקו גז וחבר את החוטים לציוד בדיקה אלקטרוכימי. הבא בועה גז מימן מולקולרי בטוהר גבוה במיוחד דרך מים בטמפרטורת החדר כדי להרטיב אותו ל-3% נפח מים.

כוון את הגז הלח הזה דרך מתקן התא בקצב של 50 סנטימטרים מעוקבים סטנדרטיים לדקה. לאחר חימום נכון של התא וריכוז האלקטרודה הנגדית הכסופה, קרא לתא ל-767 מעלות צלזיוס לבדיקת ביצועים אלקטרוכימיים. לאחר סיום הבדיקה והכנת הדגימה לאפיון, הצמד את התא באמצעות סרט או דבק ללוחית הבמה של מיקרוסקופ הראמן כשאנודת הרשת פונה כלפי מעלה.

כאשר הלייזר ממוקד בממשק של מצע ניקל ו-YSC, הגדר את האיל והספקטרומטר כדי להשיג ספקטרום מהצטלבויות של רשת מלבנית. מעל שטח הממשק עם צמתים המופרדים בשני מיקרומטרים, הספקטרום צריך להיות מרוכז סביב מספר הגל המתאים למצב העניין של ראמאן. במקרה זה, 980 סנטימטרים הפוכים נבחרים עבור תחמוצות גופרית.

השלב הבא הוא לשלב את העוצמה על פני מצב העניין של ראמאן עבור כל ספקטרום ולחלק בקו בסיס שטוח עם אותו ספקטרום, לאחר מכן ניתן לשרטט את העוצמה היחסית במפת קווי מתאר וצבע ביחס לקואורדינטות שלה. כדי לפקח על צימוד האנודה, השתמש במשחת כסף כדי לאטום את רשת הניקל המוטמעת C לשולי תא התגובה בטמפרטורה גבוהה של ראמן מדעי של האריק הפונה כלפי מעלה. לאחר מכן כסו את תא במת הראמן.

לאחר מכן, הרכיב את תא הדגימה על מיקרוסקופ הרמה עם גבול C של חוט ניקל והתחל לזרום לח, 4% מימן מולקולרי ו-96% גז ארגון דרך התא בכ-100 סנטימטרים מעוקבים סטנדרטיים לדקה. כעת מחממים את תא הראמן ל -625 מעלות צלזיוס. הבא את הלייזר למיקוד ואסוף סריקות ראמן בסיסיות מכתמים על רשת הניקל ומצע YSC בטווח של 150 עד 2000 סנטימטר הפוך.

לאחר מכן, הכניסו שלושה עד 5% פרופאן לזרימת הגז ואספו איל וספקטרום מהניקל במרווחי זמן קבועים בזמן שהגז זורם כדי לצפות בתצהיר הפחמן על פני השטח לאורך זמן. רדיד ניקל טהור משמש להדמיה של שקיעת פחמן על ידי מיקרוסקופ כוח אטומי או מיקרוסקופ כוח FM ואלקטרוסטטי או EFM באמצעות קופון מרובע של 10 מיליליטר על מיליליטר אחד שנחתך מלק נייר כסף ניקל פנים אחת של הקופון עד לדרגה של 0.1 מיקרומטר. בעקבות השלבים ששימשו קודם לכן בתנור מרופד בצינור קוורץ בטמפרטורה של 550 מעלות צלזיוס, חשף את קופון הניקל המלוטש לגז זורם לח המכיל 10% פרופאן מאוזן על ידי ארגון למשך דקה אחת.

לאחר מכן הסר את הדגימה מבטנת התנור וצינור הקוורץ. בדוק את מורפולוגיה פני השטח על ידי מיקרוסקופ אופטי ומיקרוסקופ אלקטרונים סורק כדי להכין את הדגימה למחקר באמצעות מיקרוסקופ כוח אטומי ומיקרוסקופ כוח אלקטרוסטטי. הרכיב את הדגימה על דיסקית מתכת באמצעות סרט מוליך נחושת.

לאחר מכן, התקן בסיס סיליקון מסוג קצה, קצה FM או קצה FM מוליך על מחזיק הקצה. עכשיו קח את הדגימה ל-A FM. לאחר מכן אסוף תמונת מורפולוגיה באמצעות FM במצב הקשה לאיסוף מידע במצב הרמה. התחל עם גובה ההרמה ב-100 ננומטר והורד אותו בהדרגה לערך חספוס פני השטח כך שהאינטראקציה האלקטרוסטטית עשויה להיות חזקה מספיק להדמיית EFM.

סרוק את הדגימה בגובה המתאים במצב הרמה. לאסוף מידע הן על הטופוגרפיה והן על זווית הפאזה. זהה פאזה ברורה או ממשק מורפולוגי ואסוף סדרה של סריקות קו EFM על פני ממשק זה תוך שינוי הטיית הדגימה.

לאחר מכן זהה את המתח שבו הניגודיות בין שני השלבים מתהפכת על ידי השוואת סריקות קו EFM בפוטנציאל הטיה שונה של דגימה. לאחר מכן אסוף תמונה מלאה באמצעות ממתח מדגם שהוא אחד עד שניים וולט מתחת למתח המתג ואסוף תמונה נוספת עם ממתח הדגימה אחד עד שניים וולט מעל מתח המתג. האזור המכוסה בפחמן נראה בהיר כאשר הדגימה מוטה לרעה ונראה כהה כאשר הוא מוטה לחיוב על ידי סריקת משטח הדגימה.

במצב זה ניתן לקבל את התפלגות ומורפולוגיה פני השטח של שקיעת פחמן. אלקטרודת רשת הניקל נבדקה לביצועים הן בתנאי מימן מולקולרי והן בתנאי מימן גופרתי. תוצאות אופייניות עבור עקומות מתח זרם והספק זרם ב-767 מעלות צלזיוס כפי שמוצג כאן, הכנסת חלקים בודדים למיליון של מימן גופרתי עלולה לגרום לירידה ניכרת בביצועים.

להלן תרשימים של התא לפני ואחרי שהאנודה נחשפה לדלקים המכילים אפס ו-20 חלקים למיליון מימן גופרתי ב-767 מעלות צלזיוס. ספקטרוסקופיית עכבת AC של התא בוצעה בתנאי מתח במעגל פתוח. העקומה השמאלית היא התנהגות ההרעלה האופיינית, והצד הימני הוא התנהגות ההתאוששות האופיינית של התא ב-767 מעלות צלזיוס.

מתחת ל-20 חלקים למיליון מימן גופרתי וממתח DC של שלילי שלוש עשיריות וולט. נראה שגם ההרעלה וגם ההתאוששות מסתיימות ומגיעות למצב יציב תוך מספר דקות, וזה שונה מזמני ההתאוששות הארוכים הדרושים לחוט ניקל עבה יותר. אודס למד בעבר מיקרוגרף אופטי.

ממשק חוט הניקל C מוצג משמאל. מפת ראמן של אותו אזור נמצאת מימין. מפת הראמן מציגה את עוצמת המצב הקשור לתחמוצות גופרית שונות.

המינים נצפו אך ורק על פני הניקל והיו מרוכזים הרחק מגבולות השלב המשולש. תמונה זו היא מיקרוגרף אופטי של רשת הניקל המוטמעת ב-YSZ. תמונה זו היא אותה רשת לאחר חשיפה לפרופאן המכיל גז בטמפרטורה של 625 מעלות צלזיוס למשך 15 שעות.

האיור הימני הוא ספקטרום ראמאן שנאסף באתרו מהכתמים המסומנים במיקרוגרף האופטי משמאל לאחר 15 שעות של חשיפה לפרופאן. מוצג מימין פלוס של השינוי באות הפחמן ראמן. עוצמה שנאספה לאורך זמן מהמיקום שזוהה על ידי הכתם הירוק במיקרוגרף האופטי משמאל.

שני לוחות אלה מאפשרים השוואה של רשת הניקל YSC ששונתה עם תחמוצת מחסום כדי לתת עמידות מוגברת לציפוי באותם תנאים כמו הרשת ללא שינוי. שניהם נחשפו לגז המכיל פרופאן בטמפרטורה של 625 מעלות צלזיוס במשך 15 שעות. תמונה זו של מיקרוסקופ אלקטרונים סורק מציגה את הכתמים הכהים ההומוגניים שנוצרו על פני הניקל לאחר שנחשף לגז עם תכולת פרופאן מסוימת.

משמאל תמונות מיקרוסקופ כוח אטומי של אזורים עם רמות שונות של צימוד. אותם אזורים מצולמים גם באמצעות מיקרוסקופ כוח אלקטרוסטטי בצד ימין תוך כדי ניסיון הליך זה. חשוב לזכור לשמור על כמה משטחי me נקיים ככל האפשר ממזהמים אחרים כגון מדיה מלוטשת.

אל תשכח שעבודה עם תנורים בטמפרטורה גבוהה וגזים דליקים עלולה להיות מסוכנת ביותר ויש לנקוט באמצעי זהירות נאותים, כגון לבישת ציוד מגן ושימוש באזעקות מתאימות. אני מקווה שהסרטון הזה המחיש כיצד להשיג מידע על תהליכי פני השטח של אלקטרודות בתאי דלק של תחמוצת התא שיעזור לך לתכנן טוב יותר חומרי אלקטרודות.