Sondagem e Mapeamento superfície do eletrodo em células a combustível de óxido sólido

O objetivo do experimento a seguir é promover a compreensão dos mecanismos de reação e degradação de óxido sólido, célula de combustível ou eletrodo SOFC para células que operam com combustíveis contaminados com hidrocarbonetos e enxofre. Assim, fornecendo insights sobre o design racional de materiais SOFC. Isso é conseguido fabricando células com um eletrodo de trabalho consistindo em um eletrodo de malha de níquel embutido em irea, zircônia estabilizada ou YSC e testando o desempenho eletroquímico e a estabilidade das células em combustíveis contendo hidrocarbonetos e sulfeto de hidrogênio.

Como segunda etapa, a espectroscopia Raman é realizada no eletrodo de malha sob as duas condições in situ U e XE, que fornece informações sobre as espécies químicas e fases envolvidas na degradação do eletrodo, onde a degradação ocorre e como ela pode ser evitada. Em seguida, técnicas de microscopia de varredura por sonda são usadas para caracterizar o eletrodo, a fim de visualizar a degradação do eletrodo e a morfologia da superfície na escala nanométrica. A principal vantagem dessas técnicas sobre outros métodos de análise de superfície, como os prospies SPECT de elétrons, é que elas não requerem alto vácuo para operação.

Esses métodos podem ajudar a coletar informações úteis no campo das células a combustível de óxido sólido, como a natureza dos mecanismos que determinam o desempenho e a degradação do eletrodo. As implicações dessas técnicas se estendem à oscopia microscópica e aos processos de transformação de energia. Portanto, eles seriam de interesse para cientistas maduros, eletroquímicos, cópias especiais e outros interesses.

Esses tópicos, no entanto, essas técnicas foram desenvolvidas para sondar e mapear processos de superfície de eletrodos em células a combustível de óxido de sal. Eles também podem ser aplicados a sistemas eletroquímicos, como baterias e supers. Para começar a fabricar a célula do ânodo, pese dois lotes de dois décimos de grama de pó YSZ usando uma prensa seca uniaxial e um molde cilíndrico de aço inoxidável.

13 milímetros de diâmetro comprimem um lote de pó YSZ a uma pressão de 50 megapascais por 30 segundos. Em seguida, corte um pedaço de tamanho inferior a um centímetro, malha de níquel 50 tecido a partir de fio de 50 micrômetros, e coloque-o na superfície do disco Z de fio dentro do molde. Em seguida, adicione os outros dois décimos de grama de pó YSC em cima da malha de níquel dentro do molde e alise a superfície do pó usando um aríete.

Pressione o sanduíche de malha de níquel entre os pacotes de pó YSC uniaxialmente e uma pressão de 300 escalas MegaPath por 30 segundos. Agora extraia o pellet YSC de níquel prensado do molde. Coloque o pellet em um cadinho de zircônia e coloque o cadinho em um forno tubular horizontal com uma atmosfera de gás redutor de 4% de hidrogênio molecular e 96% de argônio.

Dispare o pellet a 1.440 graus SIUs por cinco horas após o eletrodo ter sido fabricado e resfriado. Retifique mecanicamente uma face do fio C centralizado da amostra, usando grão de diamante de seis micrômetros até que a superfície da malha de níquel seja revelada. Continue polindo a superfície exposta da malha de níquel usando três micrômetros, um micrômetro e 0,1 micrômetro de mídia de diamante em uma suspensão de etilenoglicol de água por aproximadamente um minuto em cada estágio de polimento para produzir uma malha com maior resistência à corrosão.

Após a limpeza e secagem, arrume a amostra e enterre o pó de amida no cadinho para que não se toquem. Em seguida, dispare a amostra a 1.200 graus Celsius por duas horas em uma atmosfera redutora. Prepare a amostra para testes eletroquímicos pintando com pincel a pasta de prata na superfície do fio C oposta à malha de níquel para atuar como um contra-eletrodo.

Após a secagem, prenda um fio de prata enrolado ao contra-eletrodo usando pasta de prata e conecte um fio de prata de 0,2 milímetro de diâmetro à malha de níquel usando pasta de prata na ponta. Depois de secar a amostra, novamente, sele a célula com a malha de níquel em cima de um tubo de fixação de célula de cerâmica de três oitavos de polegada usando um selo remco 5 5 2, também conhecido como cera bond. Depois que o selante secar, conecte os fios de prata isolados aos fios condutores do eletrodo.

Em seguida, monte o acessório de célula em um forno tubular. Conecte o acessório a uma linha de gás e conecte os fios ao equipamento de teste eletroquímico. Em seguida, borbulhe gás hidrogênio molecular de pureza ultra-alta através da água à temperatura ambiente para umidificá-lo a 3% do volume de água.

Direcione esse gás umidificado através do acessório da célula a uma taxa de 50 centímetros cúbicos padrão por minuto. Depois de aquecer adequadamente a célula e centralizar o contra-eletrodo de prata, chame a célula a 767 graus Celsius para teste de desempenho eletroquímico. Uma vez que o teste é feito e a amostra é preparada para caracterização, fixe a célula usando fita adesiva ou adesivo na placa do estágio do microscópio ramen com o ânodo da malha voltado para cima.

Com o laser focado em uma interface de níquel e substrato YSC, defina o aríete e o espectrômetro para obter espectros das interseções de uma grade retangular. Sobrepondo a área da interface com interseções separadas por dois micrômetros, os espectros devem ser centrados em torno do número de onda correspondente ao modo Raman de interesse. Nesse caso, 980 centímetros inversos são escolhidos para óxidos de enxofre.

O próximo passo é integrar a intensidade sobre o modo Raman de interesse para cada espectro e dividir por uma linha de base plana com o mesmo espectro, a intensidade relativa pode então ser plotada em um mapa de contorno e cores em relação às suas coordenadas. Para monitorar o revestimento do ânodo, use pasta de prata para selar a malha de níquel embutida no fio C na borda de um estágio da câmara de reação de alta temperatura do ramen da Harrick Scientific voltado para cima. Em seguida, tampe a câmara do palco de ramen.

Em seguida, monte a câmara de amostra no microscópio rama com um limite C de fio de níquel à vista e comece a fluir gás umidificado, hidrogênio 4% molecular e 96% argônio através da câmara a aproximadamente 100 centímetros cúbicos padrão por minuto. Agora aqueça a câmara de ramen a 625 graus Celsius. Coloque o laser em foco e colete varreduras de ramen de linha de base de pontos na malha de níquel e no substrato YSC na faixa de 150 a 2000 centímetros inversos.

Em seguida, introduza de três a 5% de propano no fluxo de gás e colete o aríete e os espectros do níquel em intervalos regulares enquanto o gás está fluindo Para observar a deposição de carbono na superfície ao longo do tempo. A folha de níquel puro é usada para visualização da deposição de carbono por microscopia de força atômica ou microscopia de força eletrostática ou EFM usando um quadrado de 10 mililitros por um mililitro de cupom cortado de folha de níquel polir uma face do cupom até o grau de 0,1 micrômetros. Seguindo as etapas usadas anteriormente em um forno revestido de tubo de quartzo a 550 graus Celsius, expôs o cupom de níquel polido ao gás fluido umidificado contendo 10% de propano balanceado por Argonne por um minuto.

Em seguida, remova a amostra do forno e do revestimento do tubo de quartzo. Inspecionar a morfologia da superfície por microscopia óptica e microscopia eletrônica de varredura para preparar a amostra para estudo usando microscopia de força atômica e microscopia de força eletrostática. Monte a amostra em um disco de metal usando fita condutora de cobre.

Em seguida, instale uma base de silicone do tipo extremidade, uma ponta FM ou uma ponta condutora FM no suporte da ponta. Agora leve a amostra para o A FM. Em seguida, colete uma imagem de morfologia usando um FM no modo de toque para coletar informações no modo de elevação. Comece com a altura de elevação em 100 nanômetros e diminua-a gradualmente para aproximadamente o valor da rugosidade da superfície, de modo que a interação eletrostática possa ser forte o suficiente para imagens EFM.

Digitalize a amostra na altura apropriada no modo de elevação. Para coletar informações sobre topografia e ângulo de fase. Identifique uma fase clara ou interface morfológica e colete uma série de varreduras de linha EFM nessa interface enquanto altera o viés da amostra.

Em seguida, identifique a tensão na qual o contraste entre as duas fases muda comparando as varreduras de linha EFM em diferentes potenciais de polarização da amostra. Em seguida, colete uma imagem completa usando uma polarização de amostra que está um a dois volts abaixo da tensão do interruptor e colete outra imagem com a polarização da amostra de um a dois volts acima da tensão do interruptor. A área coberta por carbono parece clara quando a amostra é tendenciosa negativamente e parece escura quando é tendenciosa positivamente ao escanear a superfície da amostra.

Neste modo, a distribuição e a morfologia superficial da deposição de carbono podem ser obtidas. O eletrodo de malha de níquel foi testado quanto ao desempenho sob uma condição de hidrogênio molecular e sulfeto de hidrogênio. Resultados típicos para tensão de corrente e curvas de potência de corrente a 767 graus Celsius Como mostrado aqui, a introdução de apenas algumas partes por milhão de sulfeto de hidrogênio pode causar uma degradação considerável do desempenho.

Aqui estão os gráficos de Nyquist para a célula antes e depois que o ânodo foi exposto a combustíveis contendo zero e 20 partes por milhão de sulfeto de hidrogênio a 767 graus Celsius. A espectroscopia de impedância CA da célula foi realizada em condições de tensão de circuito aberto. A curva esquerda é o comportamento típico de envenenamento e o lado direito é o comportamento típico de recuperação da célula a 767 graus Celsius.

Menos de 20 partes por milhão de sulfeto de hidrogênio e polarização CC de três décimos volts negativos. Tanto o envenenamento quanto a recuperação parecem terminar e atingir o estado estacionário em poucos minutos, o que é diferente dos longos tempos de recuperação necessários para fios de níquel mais grossos. Odes estudou anteriormente uma micrografia óptica.

A interface C do fio de níquel é mostrada à esquerda. Um mapa de ramen da mesma área está à direita. O mapa do ramen mostra a intensidade de um modo associado a vários óxidos de enxofre.

As espécies foram observadas exclusivamente na superfície do níquel e concentraram-se longe dos limites da fase tripla. Esta imagem é uma micrografia óptica da malha de níquel embutida no YSZ. Esta imagem é a mesma malha após a exposição ao gás contendo propano a 625 graus Celsius por 15 horas.

A figura da direita é um espectro Raman coletado in situ a partir dos pontos marcados na micrografia óptica à esquerda após 15 horas de exposição ao propano. Mostrado à direita é uma vantagem da mudança no sinal de ramen de carbono. Intensidade coletada ao longo do tempo do local identificado pela mancha verde na micrografia óptica à esquerda.

Esses dois painéis permitem a comparação da malha YSC de níquel modificada com óxido de barreira para dar maior resistência à corrosão nas mesmas condições da malha não modificada. Ambos foram expostos a gás contendo propano a 625 graus Celsius por 15 horas. Esta imagem de microscópio eletrônico de varredura mostra as manchas escuras homogêneas formadas na superfície do níquel depois que ele foi exposto ao gás com algum conteúdo de propano.

À esquerda estão imagens de microscópio de força atômica de regiões com diferentes níveis de coing. Essas mesmas regiões também são visualizadas usando microscopia de força eletrostática à direita ao tentar este procedimento. É importante lembrar de manter algumas superfícies o mais limpas possível de outros contaminantes, como meios polidos.

Não se esqueça de que trabalhar com fornos de alta temperatura e gases inflamáveis pode ser extremamente perigoso e devem ser tomadas as devidas precauções, como usar equipamentos de proteção e usar alarmes adequados. Espero que este vídeo tenha ilustrado como obter informações sobre os processos de superfície do eletrodo em células de combustível de óxido de célula que o ajudarão a projetar melhor os materiais do eletrodo.