1. Realizzazione di un YSZ-embedded cella Mesh Anodo
- Pesare due lotti di 0,2 g di polvere YSZ.
- Comprimere un lotto di polvere YSZ in uno stampo cilindrico di acciaio inossidabile (13 mm di diametro) con una pressa uniassiale secca alla pressione di 50 MPa per 30 sec.
- Tagliare a <1 cm pezzo di Ni maglia e posizionarlo sulla superficie del disco YSZ all'interno dello stampo.
- Aggiungere gli altri 0,2 g di polvere di YSZ in cima al Ni-mesh all'interno dello stampo e appiattire la superficie della polvere utilizzando un ariete.
- Uniassialmente premere la maglia Ni inserita tra confezioni di polvere YSZ ad una pressione di 300 MPa per 30 sec.
- Estrarre il premuto Ni / YSZ pellet dallo stampo.
- Sparare il pellet a 1440 ° C per 5 ore in un crogiolo zirconia mediante forno orizzontale tubo con un'atmosfera fluente gas riducente (4% H 2 / bal. Ar).
2. L'esposizione, lucidatura, e modifica delle mesh elettrodi Ni
- Meccanicoallearsi sgobbare una faccia del campione sinterizzato YSZ usando 6 micron diamante grana fino a quando la superficie a rete Ni è rivelato.
- Inoltre lucidare la superficie esposta a rete Ni con 3 micron, 1 micron e 0,1 micron di diamante dei media in un rapporto acqua / glicole etilenico sospensione per circa 1 minuto ad ogni fase di lucidatura.
- Ultrasuoni pulire il campione lucidato in acetone, etanolo e acqua deionizzata per 10 min.
- Asciugare il campione sotto un flusso di aria compressa pulita.
- Per maglia Ni con un'aumentata resistenza coke, fuoco il campione a 1200 ° C per 2 ore in atmosfera riducente in presenza di, ma non in contatto con, BaO polvere.
3. Preparazione e test elettrochimica di celle completa
- Spazzola vernice pasta Ag sulla superficie opposta del campione YSZ dal Ni-maglia di agire come un contro-elettrodo.
- Collegare un filo a spirale Ag al contro-elettrodo con pasta Ag.
- Dopo l'essiccazione la pasta Ag sul campE a 120 ° C in un forno per 30 minuti, collegare un 0,2-mm di diametro del filo Ag al Ni-mesh usando pasta Ag sulla punta.
- Essiccare il campione di nuovo a 120 ° C in un forno per 30 min.
- Sigillare la cella (Ni maglia basso) su un tubo di 3/8 pollici ceramica apparecchio cellulare utilizzando Aremco Seal 552 (Ceramabond).
- Lasciare che il sigillante ad asciugare all'aria per 2-4 ore.
- Collegare due fili d'argento isolati a ciascuno dei due fili elettrodi.
- Montare il dispositivo cellulare in un forno tubolare, collegare l'apparecchio a una linea del gas, e collegare i fili per un equipaggiamento di prova elettrochimica.
- Iniziare scorre ultra-alto grado di purezza (99,999%) H 2 gas attraverso l'apparecchio cellulare ad un tasso di 50 sccm, il gas deve essere gorgogliare attraverso acqua a temperatura ambiente per umidificare il gas al 3% vol. H 2 O prima di entrare nella cella fixture.
- Riscaldare il forno con la cella montato a 100 ° C per 2 ore, seguita da 260 ° C per 1 ora, e infine a 800 ° Cad una velocità di rampa 1 ° C con flusso continuato di H 2 durante tutto il riscaldamento per evitare l'ossidazione dell'elettrodo Ni. Le prime due fasi di riscaldamento sono per curare la Ceramabond.
- Tenere la cella nel forno a 800 ° C per 2 h per permettere la contro-elettrodo Ag alla sinterizzazione.
- Raffreddare la cella un po 'a 767 ° C per il test delle prestazioni elettrochimiche.
- Dopo il test, rimuovere attentamente il dispositivo cellulare dal forno per tempra a temperatura ambiente continuando a fluire umidificato H 2. (ATTENZIONE: Usare un DPI per la gestione di ceramica estremamente calde, come i guanti termici e stuoie)
- Staccare la cella dal dispositivo di post-caratterizzazione staccando i cavi degli elettrodi e con attenzione che separa la cellula dal sigillante Ceramabond.
* La figura 1 mostra uno schema del YSZ-embedded cella maglia Ni, con una fotografia e tipica micrografia ottica della incorporatamaglia.
* Per i nostri studi, le cellule sono state elettrochimicamente caratterizzato da un EG & G PAR potenziostato (modello 273A) accoppiato con un analizzatore di risposta di 1.255 Solartron frequenza HF utilizzando CorrWare e ZPlot software (Scribner e Associati). Voltammetria scansione lineare e tensione costante amperometria stati usati per caratterizzare le prestazioni della cella, e impedenza spettri sono stati acquisiti nella gamma di frequenza da 100 kHz a 0,1 Hz con un'ampiezza di 10 mV. Per lo studio avvelenamento da zolfo, una miscela di gas certificato 100 ppm H 2 S in H 2 è stato mescolato nel flusso di gas combustibile con H 2 puro per ottenere un 20 ppm H 2 S / H 2 miscela.
4. Post-test Mapping Raman Spectromicroscopic
- Fissare il campione cellulare con l'anodo a rete rivolta verso l'alto sulla piastra di Raman tavolino del microscopio con nastro o adesivo per impedire il movimento del campione durante l'analisi Raman.
- Utilizzare la fase di microscopio e XYZindividuare un confine un'interfaccia tra la rete e il substrato Ni YSZ.
- Portare il laser a fuoco passando i filtri microscopio e finemente regolare la coordinata Z del palco.
- Impostare lo spettrometro Raman per ottenere spettri nei nodi di una maglia rettangolare sovrapponendo l'area dell'interfaccia con intervalli di 2 micron separano i nodi. Gli spettri deve essere centrato intorno al numero d'onda (s) corrispondente alla modalità di Raman (s) della specie o di fase (s) di interesse. In questo caso, 980 cm -1 è scelto per SO x.
- Per ogni spettri, integrare l'intensità attraverso la modalità Raman (s) di interesse e dividere l'intensità da una base piatta con lo stesso spettro. L'intensità relativa può quindi tracciare un contorno / colore mappa rispetto alle sue coordinate.
Raman spettromicroscopia è stata eseguita utilizzando un sistema Renishaw RM1000 dotato Modu-Laser StellarPro 514 nm Ar-ion laser (5 mW) e un Thorlabs HRP170 633 nm laser He-Ne (17 mW). Il sistema è dotato di uno stadio XYZ motorizzato (Prior Scientific H101RNSW) e una lente obiettivo 50X, che insieme consentono ~ risoluzione 2 micron mappatura. Renishaw filo 2,0 software è stato utilizzato in combinazione con l'hardware. I dati sono stati elaborati con MATLAB (The MathWorks).
5. Controllo Raman in situ di coke 8
- Collegare un YSZ-embedded campione maglia Ni alla fase camera Raman con pasta Ag con la maglia rivolto verso l'alto.
- Riscaldare la camera aperta a 300 ° C per 1 ora per asciugare ed eliminare il mezzo pasta Ag sospensione.
- Sigillare tappo della camera di Raman e applicarla alla fase microscopio Raman. Utilizzare il microscopio per individuare un Ni / YSZ interfaccia come descritto nel protocollo 4,2.
- Inizia scorre 4% H 2 / Ar gas umidificato da gorgogliatore di acqua attraverso la camera a ~ 100 sccm.
- Riscaldare la camera di Raman a 625 ° C.
- Portare il laser a fuocoe raccogliere le scansioni di base Raman di macchie sulla maglia Ni e substrato YSZ nel range 150-2000 cm -1.
- Introdurre 3-5% C 3 H 8 nel flusso di gas e raccogliere spettri Raman del Ni ad intervalli regolari durante il gas fluisce per osservare la deposizione di carbonio sulla superficie nel tempo (ad esempio 15 ore).
- Raffreddare il campione lentamente (5 ° C / min) scorre in 4% H 2 / Ar.
* L'analisi Raman in situ è stata eseguita con un costume-modificato Harrick Scientific alta temperatura camera di reazione chamber.The è dotato di un tappo finestra di quarzo, connessioni di gas, e una linea di raffreddamento. A schematica e fotografia è fornito in Figura 2.
ATTENZIONE: acqua di raffreddamento deve essere utilizzato per proteggere il microscopio ottico sul sistema Raman da riscaldamento!
6. Visualizzazione Nanoscale di coke mediante AFM e EFM
- Polish una faccia di 1 cm x 1 millimetro quadrato promozionali nickel fino al grado di 0,1 um, come descritto nel protocollo 2,2.
- In un tubo di quarzo rivestito forno, esporre il coupon nichel lucido per flusso di gas contenente 10% di C 3 H 8 bilanciata da Ar a 550 ° C per 1 min, il gas deve essere gorgogliare attraverso acqua a temperatura ambiente per umidificare il gas a 3 % vol. H 2 O prima di entrare nel tubo di quarzo.
- Rimuovere il campione dal forno. Ispezionare la morfologia della superficie mediante microscopia ottica e SEM.
- Montare il campione su un disco di metallo con del nastro adesivo di rame per la AFM e di studio EFM.
- Raccogliere una immagine morfologia con AFM in Tapping Mode.
- Installare un tipo n Si basato su AFM punta (NSC16) o un conduttore AFM punta (CSC11/Cr-Au) sul supporto elettrico (MMEFCH).
- Scansione della superficie del campione in "modalità di sollevamento", in cui la punta prima raccoglie le informazioni topografiche sul suo primo viaggio attraverso la superficie del campione e thsensi en l'angolo di fase sul suo secondo viaggio per informazioni forza elettrostatica. Impostare l'altezza di sollevamento inizialmente a 100 nm, e gradualmente diminuire a circa lo stesso valore della rugosità superficiale (20-30 nm).
- Attraverso un'interfaccia chiara tra la regione coca e pulita della superficie di nichel, raccogliere una serie di linescans EFM mentre si cambia il bias del campione.
- Confrontando i linescans EFM a potenziali differenti polarizzazione del campione, identificare la tensione a cui il contrasto angolo di fase ribalta 21.
- Raccogliere un'immagine con un bias campione che è wrt 1-2V negativo il punto di commutazione, e un'altra immagine con bias campione che è wrt 1-2V positiva del punto di commutazione.
- Confrontando l'immagine topografia, e le due serie di immagini EFM a bias di campionamento diverse, ottenere una mappa di distribuzione della fase di carbonio ed nichel sul campione. * Per le nostre analisi SPM, un Nanoscope IIIA Veeco sistema è stato utilizzato. Uno schema del principio di funzionamento dell'analisi EFM23, 24 è mostrato in Figura 3.