High Temperature Fabricage van nanostructuur yttriumoxide-gestabiliseerde Zirconia (YSZ) Steigers door In Situ Carbon Templating xerogels

Samenvatting

Een protocol voor het vervaardigen van poreuze, nanogestructureerde met yttriumoxide gestabiliseerd zirkoniumoxide (YSZ) scaffolds bij temperaturen tussen 1000 ° C en 1400 ° C is weergegeven.

Samenvatting

We tonen een werkwijze voor de hoge temperatuur vervaardiging van poreuze, nanogestructureerde met yttriumoxide gestabiliseerd zirkoniumoxide (YSZ, 8 mol% yttriumoxide - 92 mol% zirkonia) scaffolds met instelbare specifiek oppervlak tot 80 ^m2 · ^g-1. Een waterige oplossing van een zirkoniumzout, yttriumzout en glucose gemengd met propyleenoxide (PO) vorming van een gel. De gel wordt gedroogd onder omgevingsomstandigheden tot een xerogel te vormen. De xerogel wordt tot pellets geperst en vervolgens gesinterd in een argonatmosfeer. Tijdens het sinteren, een YSZ keramische fase vormen en de organische bestanddelen ontleden, met achterlating van amorfe koolstof. De koolstof in situ gevormd dient als een vaste matrijs, toch een hoog oppervlaktegebied YSZ nanomorfologie bij sintertemperatuur. De koolstof wordt vervolgens verwijderd door oxidatie in lucht bij lage temperatuur, wat resulteert in een poreuze, nanogestructureerde YSZ scaffold. De concentratie van de koolstof matrijs en de uiteindelijke scaffold oppervlak kan systematisch wordenly afgestemd door het variëren van de glucoseconcentratie in het gelsynthese. De koolstof templateconcentratie werd gekwantificeerd middels thermogravimetrische analyse (TGA), het oppervlak en poriegrootteverdeling werd bepaald door fysische adsorptie metingen en de morfologie werd gekarakteriseerd met behulp van scanning elektronenmicroscopie (SEM). Fasezuiverheid en kristallietgrootte werd bepaald met röntgendiffractie (XRD). Deze fabricage benadering verschaft een nieuw, flexibel platform voor het realiseren ongekende steiger oppervlakken en nanomorphologies voor keramiek gebaseerde elektrochemische energieomzetting toepassingen zoals vaste oxide brandstofcel (SOFC) elektroden.

Inleiding

De vaste oxide brandstofcel (SOFC) is veelbelovend als alternatieve energieomzetting technologie voor de efficiënte productie van schone stroom. ¹ aanzienlijke vooruitgang geboekt in het onderzoek en de ontwikkeling van deze technologie; echter, zijn verbeteringen in de elektrode prestaties nog steeds nodig om betrouwbare commercialisering te bereiken. De elektrode vaak poreuze keramische scaffold met elektrokatalytische deeltjes ingericht op het schavot oppervlak. Een grote hoeveelheid onderzoek is gericht op het vergroten van het oppervlak van de elektrokatalytische deeltjes prestaties, ^{2, 3, 4, 5, 6, 7, 8} vergroten, maar er is zeer weinig onderzoek naar het vergroten van het oppervlaktegebied schavot. Het verhogen van het schavot oppervlakgebied uitdaging omdat ze bij hoge temperatuur worden gesinterd, 1.100 ° C tot 1.500 ° C.

Steigers verwerkt door traditionele sinteren hebben gewoonlijk een specifiek oppervlak van 0,1-1 ^m2 · ^{g-1. 8, 9, 10, 11} Er zijn enkele rapporten over het vergroten van het oppervlaktegebied schavot. In één geval is het oppervlak van een traditioneel gesinterd scaffold was door oplossen en neerslaan van het schavot oppervlak met fluorwaterstofzuur, bereiken een specifiek oppervlak van 2 ^m2 · ^{g-1. 12} In een andere, werden hoge temperaturen geheel vermeden door gepulste laser depositie, het bereiken van een specifiek oppervlak van 20 ^m2 · ^{g-1. 13} De grondgedachte achter de ontwikkeling van onze techniek was om een low cost fabricage creërenproces dat ongekende steiger oppervlakten biedt en maakt gebruik van traditionele sintertemperaturen zodat het proces gemakkelijk kan worden vastgesteld. Met de techniek hier beschreven, steiger oppervlak tot 80 ^m2 · ^g-1 zijn aangetoond terwijl traditionele sintertemperaturen verwerkt. ¹⁴

Ons onderzoek is vooral ingegeven door SOFC elektrodentechniek, maar de techniek is breed toepasbaar op andere gebieden en toepassingen. In het algemeen, de in situ carbon template werkwijze is een flexibele benadering nanostructuur groot oppervlak gemengde metalen keramische materialen in poeder- of poreuze scaffold vorm kan produceren. Het is flexibel doordat de gemengde metaal keramische samenstelling, specifiek oppervlak, porositeit en poriëngrootte kunnen allemaal worden systematisch afgestemd. Hoge temperaturen zijn vaak nodig om de gewenste fase gemengd metaalkeramiek vormen en deze benadering behoudt keramische nanomorfologie while zodat men wezen kiezen voor een verwerkingstemperatuur.

Deze methode omvat de synthese van een hybride anorganische-organische propyleenoxide gebaseerde gel, met een welgedefinieerdheid stoichiometrie van metaalionen en de verhouding van anorganische naar organische bestanddelen. De gel wordt gedroogd onder omgevingsomstandigheden tot een xerogel te vormen. De xerogel wordt gesinterd in een argonatmosfeer bij de gewenste temperatuur. Bij verhitting, de organische component ontleedt achterlating koolstof mal in situ, waarbij blijft voor de duur van het sinteren. De koolstof mal wordt vervolgens verwijderd door oxidatie bij lage temperatuur in lucht, wat resulteert in een nanostructuur groot oppervlak keramiek.

Protocol

1. Voorbereiding Xerogel Pellets

1. gel Synthesis
   1. Voeg een 25 mm magnetische roerstaaf en 113 ml gedeïoniseerd water in een 500 ml bekerglas. Magnetisch roeren het gedeïoniseerde water aan de hoogste snelheid die geen vortex vormt.
   2. Voeg langzaam 13,05 g (0,056 mol) watervrij zirkoniumchloride aan het gedeïoniseerde water in kleine stappen. Nadat alle watervrije zirkonium chloride opgelost, voeg 53,29 g (0,296 mol) van glucose om de oplossing.
   3. Nadat alle glucose is opgelost in de oplossing, voeg 3,73 g (0,01 mol) van yttrium nitraat hexahydraat aan de oplossing. Verhogen de snelheid van magnetisch roeren tot -700 rpm en wacht tot alle yttrium nitraat hexahydraat op te lossen in oplossing.
   4. Voeg 42 ml propyleenoxide aan de oplossing. Verder roeren bij -700 rpm propyleenoxide te mengen met de waterige oplossing. Zodra het propyleenoxide wordt gemengd met de waterige oplossing (-10 s), verminderen de magnetische roeren to -150 rpm.
   5. Blijf roeren totdat de magnetische roerstaaf stilstaat door de vorming van de gel. De gel vormt meestal binnen 3 minuten.
      OPMERKINGEN: Het toevoegen van watervrij zirkoniumdichloride aan gedeïoniseerd water is een sterk exotherme reactie en het watervrije zirkoniumdichloride wordt pluim als het te snel wordt toegevoegd.
      De formulering die in paragraaf 1.1. overeen met een glucose tot totale metalen (zirkoon + yttrium) molverhouding van 4,5: 1. De resultaten representatief deel bevat gegevens voor glucose aan totale metalen molaire verhoudingen van 0: 1, 2,25: 1 en 4,5: 1. De hoeveelheid glucose in het preparaat wordt alleen beperkt door de oplosbaarheid van glucose in de oplossing. Ter referentie, de maximale oplosbaarheid van glucose in water bij 20 ° C is 47,8 gew%. ¹⁵
2. Vergrijzing en de gel te wassen
   1. Strak betrekking op de beker die de gel met Parafilm en laat leeftijd gedurende 24 uur door het verlaten van de afgedekte bekerglas bij kamertemperatuur.
   2. Verwijder het deksel van de beker en decanteer de vloeistof bovenop de gel.
   3. Voeg 300 ml absolute ethanol aan de beker die de gel stevig Bedek het bekerglas met Parafilm en laat het bedekte beker bij kamertemperatuur gedurende 24 uur.
   4. Herhaal stap 1.2.3 nog tweemaal voor een totaal van drie wassingen ethanol over een totale periode van 72 uur.
3. Het drogen van de gel in een Xerogel
   1. Verwijder de gel uit de beker en plaats deze in een 2 L porseleinen indampschaaltje (24 cm buiten diameter boven) met een laboratoriumspatel.
   2. Breek de gel in ongeveer 1 cm x 1 cm gesneden met een spatel en verspreid de stukken over het oppervlak van de indampschaal.
   3. Laat de gelstukken drogen onder omgevingscondities gedurende één week of totdat de gel droog. De gel wordt droog beschouwd wanneer kan worden vermalen tot een fijn poeder.
   4. Maal alle van de xerogel tot een fijn poeder met een mortier en een stamper.
      OPMERKING: Zodra de gel droog is, is hetals een xerogel, omdat het onder omgevingsomstandigheden gedroogd.
4. Door op de Xerogel in een Pellet
   1. Plaats 1 g xerogel poeder in een cilindrische pellet persmatrijs met een diameter van 13 mm.
   2. Met behulp van een hydraulische druk, toegepast 22 kN kracht gedurende 90 s om op de xerogel gel tot een pellet.
   3. Langzaam laat de door de pers uitgeoefende kracht. uitwerpen langzaam de pellet uit de pellet matrijs en verwijder dan zorgvuldig de pellet.

2. Het sinteren van de pellet Xerogel in een inerte atmosfeer

1. Plaats de xerogel pellet op een aluminiumoxide of yttriumoxide gestabiliseerd zirkoniumoxide plaat en plaats de plaat in het midden van een buisoven.
2. Stroom argon met een snelheid van eenderde van het volume van de werkslang per minuut. Dit komt overeen met een argon stroomsnelheid van 750 ml · ^min-1 voor de werkende buis in dit werk. Ontlucht de gasuitlaat een zuurkast.
3. Stroom argon gedurende ten minste 15 min boordat beginnen de buisoven verwarmd.
4. Onder continu stromend argon bij een constante snelheid, de programma buisoven temperatuurregelaar de volgende verwarmingsschema:
   1. Houd bij kamertemperatuur gedurende 15 minuten.
   2. Verwarm tot 850 ° C met een helling van 5 ° C · min ^-1.
   3. Verwarm tot de gewenste sintertemperatuur met een toenamesnelheid van 2 ° C · min ^-1.
   4. Houden op de gewenste sintertemperatuur gedurende 2 uur.
   5. Koel tot 850 ° C met een helling van 2 ° C · min ^-1.
   6. Koel af tot kamertemperatuur met een toenamesnelheid van 5 ° C · min ^-1.
5. Start het programma en dubbel controleren of de buisoven opwarmt na het schema in rubriek 2.3.
6. Pellet verwijderd uit de buisoven na het verwarmingsprogramma is voltooid.

3. Bepalen Carbon templateconcentratie

1. Snijd een -50 mg stuk uit degesinterde pellet xerogel met een mes en vermalen tot een fijn poeder met een agaat mortier en stamper.
2. Plaats ~ 50 mg van het fijne poeder in een aluminium monsterhouder voor thermogravimetrische analyse.
3. Met behulp van een thermogravimetrische analysator (TGA), verwarm het monster met een snelheid van 10 ° C · min ^-1 van kamertemperatuur tot 1200 ° C stromend lucht over het monster met een snelheid van 100 ml · min ^-1.
4. De procentuele gewichtsverandering die tussen -350 ° C en -700 ° C plaatsvindt. Dit gewichtsprocent overeen met het totale koolstofgehalte van het monster.
   OPMERKING: Bij een gewichtstoename optreedt in het 350 ° C tot 700 ° C traject, heeft een carbide fase gevormd en de berekening van het koolstofgehalte complexer. In dit geval, kunt u verwijzen naar berekeningen die in de literatuur beschreven. ¹⁴ Carbon elementanalyse werd gebruikt om te bevestigen dat koolstofgehalte kan worden berekend uit metingen TGA.

4. Voorbereiden van High Oppervlakte YSZ steiger door Carbon verwijdering van de mal

1. Plaats de gesinterde xerogel pellet in een alumina smeltkroes.
2. Plaats de kroes in een doos oven bij 700 ° C gedurende 2 uur.
3. Verwijder voorzichtig de hete kroes uit de doos oven met roestvrij stalen smeltkroes tang en laat het afkoelen tot kamertemperatuur gedurende een uur voor het verwijderen van de poreuze, witte YSZ schavot.

Resultaten

Fasezuiverheid werd bevestigd door röntgendiffractie (XRD) zoals eerder door Cottam et al. ¹⁴ YSZ scaffold specifiek oppervlak als functie koolstof templateconcentratie is getoond in figuur 1. De concentratie wordt weergegeven als het volumepercentage van de totale vaste stoffen in het gesinterde xerogel pellet. De koolstof templateconcentratie systematisch toeneemt met toenemende glucoseconcentratie in de gelformulering. Zoals getoond in...

Discussie

Met dit in situ carbon templating benadering kan men creëren en behouden nanomorfologie in gemengde metaaloxiden op traditionele keramische scaffold sintertemperaturen. De verkregen oppervlakken zijn tot 80 maal hoger zijn dan traditioneel gesinterd steigers en tot 4 maal hoger dan schavotten vervaardigd door complexe depositietechnieken. ¹⁴ De propyleenoxide-glucosegel systeem zeer flexibel voor het afstemmen van de concentratie van de koolstof matrijs, zodat men systematisch controlere...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Zirconium(IV) chloride, 99.5+%	Alfa Aesar	12104	Gevoelig voor lucht
Yttrium(III) nitrate hexadydraat, 99.9%	Alfa Aesar	12898	Oxidator
D+ Glucose Watervrij, ≥99.5%	US Biological Life Sciences	G3050
(±)-Propyleenoxide, ≥99%	Sigma Aldrich	110205	Zeer ontvlambaar
Ethanol 200 Proof	Decon Laboratories, Inc.	2716GEA
Argon, 99.997%	Airgas	AR 300	Industriële kwaliteit