Probing e mapping superfici di elettrodo nelle celle di combustibile ad ossidi solidi

Lo scopo del seguente esperimento è quello di promuovere la comprensione dei meccanismi di reazione e degradazione degli ossidi solidi, delle celle a combustibile o degli elettrodi SOFC per celle operanti su combustibili contaminati da idrocarburi e zolfo. Fornendo così approfondimenti sulla progettazione razionale dei materiali SOFC. Ciò si ottiene fabbricando celle con un elettrodo funzionante costituito da un elettrodo a rete di nichel incorporato in irea, zirconia stabilizzata o YSC e testando le prestazioni elettrochimiche e la stabilità delle celle in combustibili contenenti idrocarburi e idrogeno solforato.

Come seconda fase, la spettroscopia Raman viene eseguita sull'elettrodo a rete in entrambe le condizioni U e XE in situ, che forniscono informazioni sulle specie chimiche e sulle fasi coinvolte nella degradazione dell'elettrodo, dove avviene la degradazione e come potrebbe essere prevenuta. Successivamente, vengono utilizzate tecniche di microscopia a scansione di sonda per caratterizzare l'elettrodo al fine di visualizzare la degradazione dell'elettrodo e la morfologia della superficie su scala nanometrica. Il vantaggio principale di queste tecniche rispetto ad altri metodi di analisi delle superfici, come le spie SPECT elettroniche, è che non richiedono l'alto vuoto per il funzionamento.

Questi metodi possono aiutare a raccogliere informazioni utili nel campo delle celle a combustibile a ossidi solidi, come la natura dei meccanismi che determinano le prestazioni e la degradazione degli elettrodi. Le implicazioni di queste tecniche si estendono all'oscopia microscopica e ai processi di trasformazione dell'energia. Pertanto, sarebbero di interesse per scienziati maturi, elettrochimici, copie speciali e altri interessi.

Questi argomenti, tuttavia, queste tecniche sono state sviluppate per sondare e mappare i processi di superficie degli elettrodi nelle celle a combustibile all'ossido di sale. Possono essere applicati anche a sistemi elettrochimici come batterie e super. Per iniziare a fabbricare la cella anodica, pesare due lotti di due decimi di grammo di polvere YSZ utilizzando una pressa a secco assiale uni e uno stampo cilindrico in acciaio inossidabile.

13 millimetri di diametro comprimono un lotto di polvere YSZ a una pressione di 50 megapascal per 30 secondi. Quindi tagliare un pezzo di meno di un centimetro di dimensione, 50 maglie di nichel tessute da un filo di 50 micrometri, e posizionarlo sulla superficie del disco Z di filo all'interno dello stampo. Successivamente, aggiungi gli altri due decimi di grammo di polvere YSC sopra la rete di nichel all'interno dello stampo e appiattisci la superficie della polvere usando un ariete.

Premere assialmente il sandwich di rete di nichel tra le confezioni di polvere YSC e una pressione di 300 MegaPath scala per 30 secondi. Ora estrai il pellet di nichel YSC pressato dallo stampo. Posizionare il pellet in un crogiolo di zirconia e posizionare il crogiolo in un forno a tubi orizzontali con un'atmosfera di gas riducente fluente del 4% di idrogeno molecolare e del 96% di argon.

Sparare il pellet a 1.440 gradi SIU per cinque ore dopo che l'elettrodo è stato fabbricato e raffreddato. Macinare meccanicamente una faccia del filo centrato C dal campione, utilizzando grana di diamante da sei micrometri fino a rivelare la superficie della maglia di nichel. Continuare a lucidare la superficie esposta della rete di nichel utilizzando mezzi diamantati da tre micrometri, un micrometro e 0,1 micrometri in una sospensione acquosa di glicole etilenico per circa un minuto in ogni fase di lucidatura per produrre una rete con una maggiore resistenza alla coing.

Dopo la pulizia e l'asciugatura, sistemare il campione e seppellire la polvere di ammide nel crogiolo in modo che non si tocchino. Quindi sparare il campione a 1.200 gradi Celsius per due ore in un'atmosfera riducente. Preparare il campione per il test elettrochimico dipingendo a pennello la pasta d'argento sulla superficie del filo C opposta alla rete di nichel per fungere da controelettrodo.

Dopo l'asciugatura, collegare un filo d'argento a spirale al controelettrodo utilizzando pasta d'argento e collegare un filo d'argento di 0,2 millimetri di diametro alla rete di nichel utilizzando pasta d'argento sulla punta. Dopo aver asciugato il campione, sigillare nuovamente la cella con la rete di nichel rivolta verso il basso sopra un tubo di fissaggio della cella in ceramica da tre ottavi di pollice utilizzando una guarnizione remco 5 5 2, nota anche come cera bond. Dopo che il sigillante si è asciugato, collegare i fili d'argento isolati ai fili conduttori dell'elettrodo.

Quindi, montare l'attrezzatura della cella in un forno tubolare. Collegare l'apparecchiatura a una linea del gas e collegare i fili all'apparecchiatura di test elettrochimico. Successivamente bolla l'idrogeno molecolare gassoso ad altissima purezza attraverso l'acqua a temperatura ambiente per umidificarla al 3% del volume d'acqua.

Dirigere questo gas umidificato attraverso l'attrezzatura della cella a una velocità di 50 centimetri cubi standard al minuto. Dopo aver riscaldato correttamente la cella e centrato il controelettrodo d'argento, chiamare la cella a 767 gradi Celsius per il test delle prestazioni elettrochimiche. Una volta terminato il test e preparato il campione per la caratterizzazione, fissare la cellula con nastro adesivo o nastro adesivo sulla piastra del tavolino del microscopio per ramen con l'anodo a rete rivolto verso l'alto.

Con il laser focalizzato su un'interfaccia di nichel e substrato YSC, impostare il pistone e lo spettrometro per ottenere spettri dalle intersezioni di una griglia rettangolare. Sovrastante l'area dell'interfaccia con intersezioni separate da due micrometri, gli spettri dovrebbero essere centrati attorno al numero d'onda corrispondente al modo Raman di interesse. In questo caso, per gli ossidi di zolfo vengono scelti 980 centimetri inversi

Il passo successivo consiste nell'integrare l'intensità sulla modalità Raman di interesse per ogni spettro e dividerla per una linea di base piatta con lo stesso spettro, l'intensità relativa può quindi essere tracciata in una mappa di contorno e colori rispetto alle sue coordinate. Per monitorare l'intaglio dell'anodo, utilizzare una pasta d'argento per sigillare la rete di nichel incorporata nel filo C al bordo di uno stadio della camera di reazione ad alta temperatura del ramen harrick scientific rivolto verso l'alto. Quindi tappare la camera del palco del ramen.

Quindi, montare la camera del campione sul microscopio rama con un bordo C in filo di nichel in vista e iniziare a far fluire l'idrogeno molecolare umidificato al 4% e l'argon gassoso al 96% attraverso la camera a circa 100 centimetri cubi standard al minuto. Ora riscalda la camera del ramen a 625 gradi Celsius. Metti a fuoco il laser e raccogli le scansioni di ramen di base dai punti sulla rete di nichel e sul substrato YSC nell'intervallo da 150 a 2000 centimetri inversi.

Successivamente, introdurre dal tre al 5% di propano nel flusso di gas e raccogliere ariete e spettri dal nichel a intervalli regolari mentre il gas scorre Per osservare la deposizione di carbonio sulla superficie nel tempo. La lamina di nichel puro viene utilizzata per la visualizzazione della deposizione di carbonio mediante microscopia a forza atomica o FM e microscopia a forza elettrostatica o EFM utilizzando un coupon quadrato di 10 millilitri per un millilitro tagliato da un foglio di nichel lucidare una faccia del coupon fino al grado di 0,1 micrometri. Seguendo i passaggi utilizzati in precedenza in un forno rivestito in tubi di quarzo a 550 gradi Celsius, è stato esposto il coupon di nichel lucidato a un gas fluido umidificato contenente il 10% di propano bilanciato da Argonne per un minuto.

Quindi rimuovere il campione dal forno e dal rivestimento del tubo di quarzo. Ispezionare la morfologia della superficie mediante microscopia ottica e microscopia elettronica a scansione per preparare il campione per lo studio utilizzando la microscopia a forza atomica e la microscopia a forza elettrostatica. Montare il campione su un disco di metallo utilizzando nastro conduttivo di rame.

Successivamente, installare una base in silicone di tipo terminale, una punta FM o una punta FM conduttiva sul supporto della punta. Ora porta il campione all'A FM. Quindi raccogli un'immagine morfologica utilizzando un FM in modalità tapping per raccogliere informazioni in modalità lift. Iniziare con l'altezza di sollevamento a 100 nanometri e diminuirla gradualmente fino a circa il valore della rugosità superficiale in modo che l'interazione elettrostatica possa essere abbastanza forte per l'imaging EFM.

Scansionare il campione all'altezza appropriata in modalità lift. Per raccogliere informazioni sia sulla topografia che sull'angolo di fase. Identificare una fase chiara o un'interfaccia morfologica e raccogliere una serie di scansioni di linee EFM attraverso questa interfaccia, modificando la polarizzazione del campione.

Quindi identificare la tensione alla quale il contrasto tra le due fasi si inverte confrontando le scansioni di linea EFM a diversi potenziali di polarizzazione del campione. Quindi raccogli un'immagine completa utilizzando una polarizzazione del campione che è da uno a due volt al di sotto della tensione di commutazione e raccogli un'altra immagine con la polarizzazione del campione da uno a due volt sopra la tensione dell'interruttore. L'area coperta dal carbonio appare luminosa quando il campione è polarizzato negativamente e appare scura quando è polarizzato positivamente dalla scansione della superficie del campione.

In questa modalità, è possibile ottenere la distribuzione e la morfologia superficiale della deposizione di carbonio. L'elettrodo a maglia di nichel è stato testato per le prestazioni sia in condizioni di idrogeno molecolare che di idrogeno solforato. Risultati tipici per le curve di tensione e potenza di corrente a 767 gradi Celsius Come mostrato qui, l'introduzione di poche parti per milione di idrogeno solforato può causare un notevole degrado delle prestazioni.

Ecco i grafici di Nyquist per la cella prima e dopo che l'anodo è stato esposto a combustibili contenenti zero e 20 parti per milione di idrogeno solforato a 767 gradi Celsius. La spettroscopia di impedenza CA della cella è stata eseguita in condizioni di tensione a circuito aperto. La curva sinistra è il tipico comportamento di avvelenamento e il lato destro è il tipico comportamento di recupero della cella a 767 gradi Celsius.

Meno di 20 parti per milione di idrogeno solforato e polarizzazione CC di tre decimi volt negativi. Sia l'avvelenamento che il recupero sembrano terminare e raggiungere lo stato stazionario in pochi minuti, il che è diverso dai lunghi tempi di recupero necessari per il filo di nichel più spesso. Odes ha precedentemente studiato una micrografia ottica.

L'interfaccia C del filo di nichel è mostrata a sinistra. Una mappa del ramen della stessa zona è sulla destra. La mappa del ramen mostra l'intensità di una modalità associata a vari ossidi di zolfo.

Le specie sono state osservate esclusivamente sulla superficie del nichel e sono state concentrate lontano dai confini della tripla fase. Questa immagine è una micrografia ottica della rete di nichel incorporata in YSZ. Questa immagine è la stessa maglia dopo l'esposizione a gas contenente propano a 625 gradi Celsius per 15 ore.

La figura a destra è uno spettro Raman raccolto in situ dai punti segnati sulla micrografia ottica a sinistra dopo 15 ore di esposizione al propano. Mostrato a destra è un vantaggio del cambiamento nel segnale del ramen in carbonio. Intensità rilevata nel tempo dalla posizione identificata dalla macchia verde sulla micrografia ottica a sinistra.

Questi due pannelli consentono il confronto della rete YSC in nichel modificata con ossido barriera per ottenere una maggiore resistenza alla coing nelle stesse condizioni della rete non modificata. Entrambi sono stati esposti a gas contenenti propano a 625 gradi Celsius per 15 ore. Questa immagine al microscopio elettronico a scansione mostra le macchie scure omogenee formate sulla superficie del nichel dopo che è stato esposto a gas con un certo contenuto di propano.

A sinistra ci sono immagini al microscopio a forza atomica di regioni con diversi livelli di coing. Queste stesse regioni vengono anche visualizzate utilizzando la microscopia a forza elettrostatica a destra durante il tentativo di questa procedura. È importante ricordare di mantenere alcune superfici il più libere possibile da altri contaminanti come i mezzi lucidati.

Non dimenticare che lavorare con forni ad alta temperatura e gas infiammabili può essere estremamente pericoloso ed è necessario prendere le dovute precauzioni, come indossare dispositivi di protezione e utilizzare allarmi adeguati. Spero che questo video abbia illustrato come ottenere informazioni sui processi di superficie degli elettrodi nelle celle a combustibile a ossido di celle che ti aiuteranno a progettare meglio i materiali degli elettrodi.