Sondowanie i mapowanie powierzchni elektrod w ogniwach paliwowych ze stałym tlenkiem

Celem poniższego eksperymentu jest przybliżenie mechanizmów reakcji i degradacji elektrod w postaci stałego tlenku, ogniw paliwowych lub elektrod SOFC w ogniwach pracujących na paliwach zanieczyszczonych węglowodorami i siarką. W ten sposób zapewnia wgląd w racjonalne projektowanie materiałów SOFC. Osiąga się to poprzez wytwarzanie ogniw z elektrodą roboczą składającą się z elektrody z siatki niklowej osadzonej w irei, stabilizowanym cyrkonie lub YSC oraz testowanie parametrów elektrochemicznych i stabilności ogniw w paliwach zawierających węglowodory i siarkowodór.

Drugim krokiem jest spektroskopia Ramana wykonywana na elektrodzie siatkowej zarówno w dwóch warunkach in situ, jak i XE, co dostarcza informacji o gatunkach chemicznych i fazach biorących udział w degradacji elektrody, gdzie zachodzi degradacja i jak można jej zapobiec. Następnie wykorzystuje się techniki mikroskopii skaningowej do scharakteryzowania elektrody w celu wizualizacji degradacji elektrody i morfologii powierzchni w skali nanometrowej. Główną przewagą tych technik nad innymi metodami analizy powierzchni, takimi jak elektronowe skanery SPECT, jest to, że nie wymagają one do działania wysokiej próżni.

Metody te mogą pomóc w gromadzeniu użytecznych informacji w dziedzinie ogniw paliwowych ze stałym tlenkiem, takich jak charakter mechanizmów decydujących o wydajności i degradacji elektrod. Implikacje tych technik rozciągają się na oskopię mikroskopową i procesy przemian energetycznych. Dlatego byłyby one interesujące dla dojrzałych naukowców, elektrochemików, specjalnych egzemplarzy, oraz innych zainteresowanych.

Techniki te zostały jednak opracowane do sondowania i mapowania procesów powierzchniowych elektrod w ogniwach paliwowych z tlenkiem soli. Mogą być również stosowane w układach elektrochemicznych, takich jak baterie i nadstawki. Aby rozpocząć wytwarzanie ogniwa anodowego, odważ dwie partie po dwie dziesiąte grama proszku YSZ za pomocą jednoosiowej prasy na sucho i cylindrycznej formy ze stali nierdzewnej.

O średnicy 13 milimetrów należy wycisnąć jedną partię proszku YSZ pod ciśnieniem 50 megapaskali przez 30 sekund. Następnie wytnij mniej niż jeden centymetrowy kawałek siatki niklowej utkanej z drutu o średnicy 50 mikrometrów i umieść go na powierzchni drutu Z wewnątrz formy. Następnie dodaj pozostałe dwie dziesiąte grama proszku YSC na wierzch siatki niklowej wewnątrz formy i spłaszcz powierzchnię proszku za pomocą suwaka.

Ściskaj kanapkę z siatki niklowej między opakowaniami proszku YSC jednoosiowo i naciskaj 300 skal MegaPath przez 30 sekund. Teraz wyjmij sprasowane granulki niklu YSC z formy. Umieścić granulat w tyglu cyrkonowym i umieścić tygiel w poziomym piecu rurowym z przepływającą atmosferą gazu redukującego o zawartości 4% wodoru cząsteczkowego i 96% argonu.

Wystrzel pelety w temperaturze 1 440 stopni SIU przez pięć godzin po wyprodukowaniu i schłodzeniu elektrody. Mechanicznie zeszlifuj jedną powierzchnię wyśrodkowanego drutu C z próbki, używając ziarnistości diamentowej o ziarnistości sześciu mikrometrów, aż do odsłonięcia powierzchni siatki niklowej. Kontynuuj polerowanie odsłoniętej powierzchni siatki niklowej za pomocą trzech mikrometrów, jednego mikrometra i 0,1 mikrometra diamentowego w zawiesinie wodnego glikolu etylenowego przez około jedną minutę na każdym etapie polerowania, aby uzyskać siatkę o zwiększonej odporności na koingowanie.

Po oczyszczeniu i wysuszeniu ułożyć próbkę i zakopać proszek amidowy w tyglu tak, aby się nie stykały. Następnie wypalaj próbkę w temperaturze 1 200 stopni Celsjusza przez dwie godziny w atmosferze redukującej. Przygotuj próbkę do badań elektrochemicznych, malując pędzlem srebrną pastę na powierzchni drutu C naprzeciwko siatki niklowej, aby działała jako przeciwelektroda.

Po wyschnięciu przymocuj zwinięty srebrny drut do przeciwelektrody za pomocą pasty srebrnej i podłącz srebrny drut o średnicy 0,2 milimetra do siatki niklowej za pomocą pasty srebrnej na końcówce. Po wysuszeniu próbki ponownie uszczelnij komórkę siatką niklową w dół na górze ceramicznej rurki mocującej ogniwo o długości trzech ósmych cala za pomocą uszczelki remco 5 5 2, znanej również jako wiązanie cera. Po wyschnięciu szczeliwa podłącz izolowane srebrne druty do przewodów prowadzących elektrodę.

Następnie zamontuj oprawę ogniwa w piecu rurowym. Podłącz oprawę do przewodu gazowego i podłącz przewody do sprzętu do badań elektrochemicznych. Następnie pęcherzyk ultrawysokiej czystości wodoru cząsteczkowego przez wodę o temperaturze pokojowej, aby nawilżyć ją do 3% objętości wody.

Skieruj ten nawilżony gaz przez oprawę ogniwa z szybkością 50 standardowych centymetrów sześciennych na minutę. Po odpowiednim podgrzaniu ogniwa i wyśrodkowaniu srebrnej przeciwelektrody, wezwij ogniwo do 767 stopni Celsjusza w celu przeprowadzenia testu wydajności elektrochemicznej. Po zakończeniu badania i przygotowaniu próbki do charakterystyki, przymocuj komórkę za pomocą taśmy lub kleju do płytki stolika mikroskopu ramen z anodą siatkową skierowaną do góry.

Gdy laser jest skoncentrowany na granicy faz niklu i podłoża YSC, ustaw suwak i spektrometr tak, aby uzyskać widma z przecięć prostokątnej siatki. Nad obszarem granicy faz z przecięciami oddzielonymi od siebie dwoma mikrometrami, widma powinny być wyśrodkowane wokół liczby fali odpowiadającej interesującemu nas trybowi Ramana. W takim przypadku dla tlenków siarki wybiera się 980 odwrotnych centymetrów.

Następnym krokiem jest zintegrowanie intensywności w interesującym nas trybie Ramana dla każdego widma i podzielenie przez płaską linię bazową o tym samym spektrum, a następnie względną intensywność można wykreślić na mapie konturowej i kolorowej w odniesieniu do jej współrzędnych. Aby monitorować współtworzenie anody, użyj pasty srebrnej, aby uszczelnić siatkę niklową osadzoną w drucie C do krawędzi stopnia komory reakcyjnej harrick scientific ramen w wysokiej temperaturze skierowanej do góry. Następnie zakryj komorę sceniczną ramen.

Następnie zamontuj komorę na próbkę pod mikroskopem rama tak, aby granica drutu niklowego C była widoczna i rozpocznij przepływ nawilżonego 4% wodoru cząsteczkowego i 96% argonu przez komorę z prędkością około 100 standardowych centymetrów sześciennych na minutę. Teraz podgrzej komorę ramen do 625 stopni Celsjusza. Ustaw ostrość lasera i zbierz podstawowe skany ramenu z plam na siatce niklowej i podłożu YSC w zakresie od 150 do 2000 centymetrów odwrotnych.

Następnie wprowadź od trzech do 5% propanu do strumienia gazu i zbieraj baran i widma z niklu w regularnych odstępach czasu, gdy gaz przepływa, aby obserwować osadzanie się węgla na powierzchni w czasie. Folia z czystego niklu służy do wizualizacji osadzania węgla za pomocą mikroskopii sił atomowych lub mikroskopii FM i sił elektrostatycznych lub EFM za pomocą kwadratu o wymiarach 10 mililitrów na jeden mililitr wyciętego z folii niklowej, wypoleruj jedną powierzchnię kuponu do stopnia 0,1 mikrometra. Postępując zgodnie z krokami zastosowanymi wcześniej w piecu wyłożonym rurami kwarcowymi w temperaturze 550 stopni Celsjusza, wystawij polerowany kupon niklu na działanie nawilżonego przepływającego gazu zawierającego 10% propanu równoważonego przez Argonne przez jedną minutę.

Następnie wyjmij próbkę z pieca i wyłóż rurkę kwarcową. Zbadaj morfologię powierzchni za pomocą mikroskopii optycznej i skaningowej mikroskopii elektronowej, aby przygotować próbkę do badania za pomocą mikroskopii sił atomowych i mikroskopii sił elektrostatycznych. Zamontuj próbkę na metalowym krążku za pomocą miedzianej taśmy przewodzącej.

Następnie zainstaluj silikonową podstawę typu końcowego, końcówkę FM lub przewodzącą końcówkę FM na uchwycie końcówki. Teraz zabierz próbkę do A FM. Następnie zbierz obraz morfologii za pomocą FM w trybie stukania w celu zebrania informacji w trybie podnoszenia. Zacznij od wysokości podnoszenia na poziomie 100 nanometrów i stopniowo zmniejszaj ją do przybliżonej wartości chropowatości powierzchni, aby oddziaływanie elektrostatyczne mogło być wystarczająco silne do obrazowania EFM.

Zeskanuj próbkę na odpowiedniej wysokości w trybie podnoszenia. Zbieranie informacji zarówno o topografii, jak i kącie fazowym. Zidentyfikuj wyraźną fazę lub interfejs morfologiczny i zbierz serię skanów linii EFM na tym interfejsie, zmieniając odchylenie próbki.

Następnie zidentyfikuj napięcie, przy którym odwraca się kontrast między dwiema fazami, porównując skany linii EFM przy różnych potencjałach polaryzacji próbki. Następnie zbierz pełny obraz przy użyciu polaryzacji próbki, która jest o jeden do dwóch woltów niższa od napięcia przełącznika i zbierz kolejny obraz z odchyleniem próbki o jeden do dwóch woltów powyżej napięcia przełącznika. Obszar pokryty węglem wydaje się jasny, gdy próbka jest odchylona ujemnie i wydaje się ciemny, gdy jest odchylona dodatnio przez skanowanie powierzchni próbki.

W tym trybie można uzyskać rozkład i morfologię powierzchniową osadzania węgla. Elektroda z siatki niklowej została przetestowana pod kątem wydajności zarówno w warunkach wodoru cząsteczkowego, jak i siarkowodoru. Typowe wyniki dla krzywych napięcia prądu i mocy prądu przy 767 stopniach Celsjusza Jak pokazano tutaj, wprowadzenie zaledwie kilku części na milion siarkowodoru może spowodować znaczne pogorszenie wydajności.

Oto wykresy nyquista dla ogniwa przed i po wystawieniu anody na działanie paliw zawierających zero i 20 części na milion siarkowodoru w temperaturze 767 stopni Celsjusza. Spektroskopię impedancji prądu przemiennego ogniwa przeprowadzono w warunkach napięcia obwodu otwartego. Lewa krzywa to typowe zachowanie zatrucia, a prawa strona to typowe zachowanie regeneracyjne komórki w temperaturze 767 stopni Celsjusza.

Poniżej 20 części na milion siarkowodoru i polaryzacja prądu stałego o wartości ujemnej trzech dziesiątych woltów. Zarówno zatrucie, jak i rekonwalescencja wydają się kończyć i osiągać stan ustalony w ciągu kilku minut, co różni się od długich czasów rekonwalescencji potrzebnych w przypadku grubszego drutu niklowego. Odes wcześniej studiował mikrografię optyczną.

Interfejs C z drutu niklowego jest pokazany po lewej stronie. Mapa ramenu z tego samego obszaru znajduje się po prawej stronie. Mapa ramenu pokazuje intensywność modu związanego z różnymi tlenkami siarki.

Gatunki te obserwowano wyłącznie na powierzchni niklu i koncentrowały się one z dala od granic trzech faz. To zdjęcie jest mikrofotografią optyczną siatki niklowej osadzonej w YSZ. To zdjęcie jest tą samą siatką po wystawieniu na działanie gazu zawierającego propan w temperaturze 625 stopni Celsjusza przez 15 godzin.

Prawy rysunek to widma Ramana zebrane in situ z plam zaznaczonych na mikrofotografii optycznej po lewej stronie po 15 godzinach ekspozycji na propan. Po prawej stronie pokazany jest plus zmiany sygnału carbon ramen. Intensywność zebrana w czasie z miejsca wskazanego przez zieloną plamkę na mikrofotografii optycznej po lewej stronie.

Te dwa panele umożliwiają porównanie siatki niklowej YSC zmodyfikowanej tlenkiem bariery, aby zapewnić zwiększoną odporność na koing w tych samych warunkach, co siatka niemodyfikowana. Obaj byli wystawieni na działanie gazu zawierającego propan w temperaturze 625 stopni Celsjusza przez 15 godzin. Ten obraz ze skaningowego mikroskopu elektronowego pokazuje jednorodne ciemne plamy powstałe na powierzchni niklu po wystawieniu go na działanie gazu z pewną zawartością propanu.

Po lewej stronie znajdują się obrazy z mikroskopu sił atomowych obszarów o różnych poziomach koingowania. Te same obszary są również obrazowane za pomocą mikroskopii sił elektrostatycznych po prawej stronie podczas próby tej procedury. Ważne jest, aby pamiętać, aby niektóre powierzchnie były jak najbardziej wolne od innych zanieczyszczeń, takich jak polerowane media.

Nie zapominaj, że praca z piecami wysokotemperaturowymi i łatwopalnymi gazami może być niezwykle niebezpieczna i należy podjąć odpowiednie środki ostrożności, takie jak noszenie sprzętu ochronnego i stosowanie odpowiednich alarmów. Mam nadzieję, że ten film zilustrował, w jaki sposób uzyskać informacje na temat procesów zachodzących na powierzchni elektrod w tlenkowych ogniwach paliwowych, które pomogą Ci lepiej projektować materiały elektrodowe.