Протокол для изготовления пористых наноструктурных строительных лесов, стабилизированного иттрием циркония (YSZ) при температуре от 1000 ° С до 1400 ° С представлена.
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Методическая статья
Высокая температура Изготовление наноструктурные стабилизированный оксидом иттрия оксида циркония-(YSZ) на строительные леса
В этой статье
Краткое содержание
Аннотация
Показано , способ изготовления высокотемпературного пористого наноструктурированного, стабилизированного оксидом иттрия диоксида циркония-(YSZ, 8% мол иттрия - 92% мол диоксида циркония) каркасы с перестраиваемой удельной поверхности до 80 м 2 · г -1. Водный раствор циркониевой соли, иттрий соли и глюкозы смешивают с оксидом пропилена (PO) с образованием геля. Гель сушат в условиях окружающей среды с образованием ксерогеля. Ксерогель прессовали в таблетки, а затем спекают в атмосфере аргона. В процессе спекания, а YSZ керамической фазы форма и органические компоненты разлагаются, оставляя позади аморфного углерода. Углерода образуется в месте служит в качестве жесткого шаблона, сохраняя высокую поверхностную площадь YSZ наноморфологии при спекании температуры. Углерода затем удаляют путем окисления на воздухе при низкой температуре, в результате чего в пористой, наноструктурного YSZ строительных лесов. Концентрация шаблона углерода и конечной площадь поверхности строительных лесов может быть систематическойLY настроены путем изменения концентрации глюкозы в синтезе геля. Концентрация шаблона углерода количественно с помощью термогравиметрического анализа (ТГА), распределение площадь поверхности и размер пор определ ли с помощью физических измерений адсорбции и морфология охарактеризована методом сканирующей электронной микроскопии (SEM). чистота фаз и размер кристаллитов определ ли с использованием рентгеновской дифракции (XRD). Этот подход обеспечивает изготовление новый, гибкую платформу для реализации беспрецедентных площади поверхности строительных лесов и nanomorphologies для применения преобразования керамического на основе электрохимической энергии, например , твердотельный окисные топливный элемент (ТОТЭ) электроды.
Введение
Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) имеют большие перспективы в качестве альтернативной технологии преобразования энергии для эффективной генерации чистой электроэнергии. 1 Значительный прогресс был достигнут в исследованиях и разработке этой технологии; Однако, улучшение характеристик электрода по-прежнему необходимо для достижения надежной коммерциализации. Электрод часто содержит пористый керамический каркас, с электрокаталитическими частицами, украшенных на поверхности строительных лесов. Большое число исследований было сосредоточено на увеличение площади поверхности электрокаталитических частиц , чтобы увеличить производительность, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 , но там очень мало исследований по увеличению площади поверхности строительных лесов. Увеличение поверхности строительных лесовОбласть является сложной задачей, так как они спекают при высоких температурах, 1100 ° C до 1500 ° C.
Каркасы , обработанные с помощью традиционных спекания обычно имеют удельную площадь поверхности 0,1-1 м 2 · г -1. 8, 9, 10, 11 Есть несколько сообщений об увеличении площади поверхности эшафота. В одном случае, площадь поверхности традиционно спеченного помост был усилен за счет растворения и осаждения поверхности строительных лесов с использованием фтористоводородной кислоты, достигая удельную площадь поверхности 2 м 2 · г -1. 12 В другом случае , высокие температуры были полностью избежать с помощью импульсного лазерного осаждения, достигая удельную площадь поверхности 20 м 2 · г -1. 13 Обоснованием развития нашей техники было создание изготовления низкой стоимостипроцесс, который обеспечивает беспрецедентные площади поверхности строительных лесов и использует традиционные агломерационных температуры, так что процесс может быть легко приняты. С сообщалось здесь , техника, строительные леса участки поверхности до 80 м 2 · г -1 было продемонстрировано во время обработки при традиционных температурах спекания. 14
Наше исследование в первую очередь мотивировано ТОТЭ электродной техники, но техника является более широкое применение и в других областях и приложений. Как правило, на месте Метод углерода шаблонный представляет собой гибкий подход , который может производить наноструктурных, высокую площадь поверхности смешанного металлокерамические материалы в виде порошка или пористой форме строительных лесов. Это гибкий в том, что смесь металлов керамическая композиция, площадь поверхности, пористость и размер пор могут быть настроены на систематической основе. Высокие температуры часто необходимы для формирования желаемой фазы в смешанных металлокерамики, и этот подход сохраняет керамический наноморфологии шотя позволяя одному выбирать по существу, любую температуру обработки.
Этот способ включает синтез гибридного неорганического органического пропилена на основе оксиде геля, с хорошо определить стехиометрии ионов металлов и соотношением неорганических к содержанию органических веществ. Гель сушат в условиях окружающей среды с образованием ксерогеля. Ксерогель спекают в атмосфере аргона при желаемой температуре. При нагревании разлагается органический компонент оставляя за собой шаблон углерода в месте, которое остается на время спекания. Шаблон углерода затем удаляют путем окисления при низкой температуре в воздухе, в результате чего в наноструктурных, высокой площадью поверхности керамической.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Протокол
1. Подготовка Pellets ксерогельной
- Гель Синтез
- Добавьте 25 мм магнитную мешалку и 113 мл деионизированной воды к 500 мл химического стакана. Магнитно размешать деионизованной воды на самой высокой скорости, который не образует вихрь.
- Медленно добавляют 13.05 г (0,056 моль) безводного хлорида циркония в деионизированной воде с небольшим шагом. После того, как все из безводного хлорида циркония растворится, добавляют 53,29 г (0,296 моль) глюкозы в растворе.
- После того, как все растворится глюкозы в растворе, добавляют 3,73 г (0,01 моль) гексагидрата нитрата иттрия к раствору. Увеличение скорости магнитной мешалкой до ~ 700 оборотов в минуту и ждать, пока все гексагидрата нитрата иттрия, чтобы растворить в растворе.
- Добавить 42 мл окиси пропилена к раствору. Продолжают перемешивание при температуре ~ 700 оборотов в минуту для оксида пропилена, чтобы смешать с водным раствором. После того, как окись пропилена, смешивают с водным раствором (~ 10 лет), уменьшить магнитное перемешивание то ~ 150 оборотов в минуту.
- Продолжают перемешивание до тех пор, мешалку магнитное не перестал двигаться за счет образования геля. Гель, как правило, составляет в пределах 3 мин.
ПРИМЕЧАНИЯ: Добавление безводного хлористого циркония к деионизированной воде является сильно экзотермической реакцией и безводный хлорид циркония будет шлейфом, если его добавляет слишком быстро.
Состав, полученный в разделе 1.1. соответствует глюкозы в общем объеме металлов (циркония + иттрий) молярном соотношении 4,5: 1. Результаты раздела Представитель включает в себя данные для глюкозы в общем объеме металлов молярных соотношениях от 0: 1, 2,25: 1, и 4,5: 1. Количество глюкозы в композиции, ограниченно только растворимость глюкозы в растворе. Для справки, максимальная растворимость глюкозы в воде при 20 ° С составляет 47,8% мас. 15
- Старение и Стиральный гель
- Плотно накройте стакан, содержащий гель с парафильмом и пусть это возраст в течение 24 ч, оставляя закрытый химический стакан при комнатной температуре.
- Удалите крышку из стакана и декантируют жидкость в верхней части геля.
- Добавьте 300 мл абсолютного этанола в химический стакан, содержащего гель, плотно покрывает мензурку с Parafilm, и оставить закрытый химический стакан при комнатной температуре в течение 24 ч.
- Повторите шаг 1.2.3 еще два раза в общей сложности три промывных этанола в течение общего периода в 72 ч.
- Сушка геля в ксерогель
- Удалите гель из стакана и поместите его в 2 л фарфорового испарительной чашки (24 см снаружи верхнего диаметра) с использованием лабораторного шпателя.
- Перерыв геля в примерно 1 см х 1 см куски с помощью шпателя и разложить кусочки по поверхности поддона испарителя.
- Пусть кусочки геля сушить при температуре окружающей среды в течение одной недели или пока гель высохнет. Гель считается сухим, когда он может быть измельчен в мелкий порошок.
- Измельчите все ксерогеля в мелкий порошок с помощью ступки и пестика.
Примечание: После того, как гель высохнет, тосчитается ксерогелем, потому что его сушили в условиях окружающей среды.
- Нажатие ксерогельного в Пелле
- Поместите 1 г порошка ксерогеля в цилиндрическую пресс-гранул пресс-форму диаметром 13 мм.
- С помощью гидравлического пресса, применять 22 кН силы в течение 90 с, чтобы нажать гель ксерогель в таблетку.
- Медленно отпустите силу, приложенную в прессе. Медленно извлечь таблетку из гранул штампа, а затем осторожно удалить осадок.
2. Спекание ксерогеля Пелле в инертной атмосфере
- Поместите ксерогель осадок на оксиде алюминия или оксид иттрия диоксида циркония стабилизирована пластину и загрузить пластину в центр трубчатой печи.
- Расход аргона со скоростью одной трети объема рабочей трубы в минуту. Это соответствует скорости потока аргона в 750 мл · мин -1 для рабочей трубки , используемой в этой работе. Вентиляционный выход газа в вытяжном шкафу.
- Расход аргона в течение по крайней мере 15 мин бEfore начинает нагреваться трубчатой печи.
- При постоянном токе аргона с постоянной скоростью, программа контроллера температуры трубчатой печи со следующим графиком нагрева:
- Удержание при комнатной температуре в течение 15 мин.
- Нагревают до 850 ° С при скорости нагрева 5 ° С · мин -1.
- Нагревают до требуемой температуры спекания при скорости нагрева 2 ° C · мин -1.
- Удержание при желаемой температуре спекания в течение 2 ч.
- Смесь охлаждают до 850 ° С при скорости нагрева 2 ° C · мин -1.
- Охлаждают до комнатной температуры при скорости нагрева 5 ° С · мин -1.
- Запустить программу и дважды проверить, что печь трубки нагревается в соответствии с графиком, представленным в разделе 2.3.
- Удалить осадок из трубчатой печи после того, как программа нагрева завершена.
3. Определение углерода шаблона Концентрация
- Вырезать мг кусок ~ 50 из рядаспеченный ксерогель осадок с помощью ножа и измельчить его в мелкий порошок с агатовой ступкой и пестиком.
- Место ~ 50 мг мелкодисперсного порошка в чашку образца оксида алюминия для термогравиметрического анализа.
- Использование термогравиметрического анализатора (TGA), нагрев образца со скоростью 10 ° С · мин -1 от температуры окружающей среды до 1200 ° С при потоке воздуха над образцом со скоростью 100 мл · мин -1.
- Рассчитывают процентное изменение веса, которое происходит между ~ 350 ° С и ~ 700 ° C. Этот весовой процент соответствует общему содержанию углерода в образце.
Примечание: Если увеличение веса происходит в 350 ° C до 700 ° C диапазона, фаза карбида сформировал и расчет содержания углерода является более сложным. В этом случае, пожалуйста, обратитесь к расчетам, описанным в литературе. 14 углерод элементного анализа был использован для подтверждения того, что содержание углерода может быть рассчитано из измерений TGA.
4. Подготовка высокого Площадь ЦСИ Эшафот по удалению углерода шаблона
- Поместите спеченный ксерогель осадок в тигле из глинозема.
- Поместите тигель в камеру печи при 700 ° С в течение 2 ч.
- Осторожно удалите горячий тигель из печи коробки из нержавеющей стали с тигельными щипцами и дать ему остыть до комнатной температуры в течение одного часа перед удалением пористых белого YSZ строительных лесов.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Результаты
Чистота фаз была подтверждена с помощью рентгеновской дифракции (XRD) , как ранее сообщали Коттэй и соавт. 14 YSZ , подмости удельная площадь поверхности в зависимости от концентрации матрицы углерода показана на рисунке 1. Концентрация показан как объемный процент от общего объема твердых веществ в спеченных гранул ксерогеля. Концентрация шаблона углерода систематически возрастает с увеличением концентрации глюкозы в гелевой композиции. ...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Обсуждение
При этом на месте углерода шаблонного подхода, можно создать и сохранить наноморфологии в смешанных металлических оксидов на традиционных керамических температурах леска спекания. Полученные площади поверхности до 80 раз выше, чем традиционно спеченных каркасы и до 4 раз выше, чем каркасы, изготовленных с помощью сложных методов осаждения. 14 Система гель оксида пропилена-глюкоза является очень гибким для настройки концентрации углерода шаблона, позволяя одному систематически контролиров...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Раскрытие информации
Мы не имеем ничего раскрывать.
Благодарности
Эта работа была поддержана Wake Forest химфака и Wake Forest Центр энергетики, окружающей среды и устойчивого развития (ОЕЭП). Мы благодарим Чарльз Муни и аналитический инструментарий Facility в Университете штата Северной Каролины для помощи при визуализации SEM.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Материалы
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Хлорид циркония(IV), 99,5+% | Alfa Aesar | 12104 | Чувствительный к воздуху |
| гексадидрат нитрата иттия(III), 99,9% | Alfa Aesar | 12898 | Окислитель |
| D+ глюкоза безводный, ≥ 99,5% | US Biological Life Sciences | G3050 | |
| (±)-Оксид пропилена, ≥ 99% | Sigma Aldrich | 110205 | чрезвычайно легковоспламеняющийся |
| этанол 200 proof | Decon Laboratories, Inc. | 2716GEA | |
| Аргон, 99,997% | Аэрогаз | AR 300 | Промышленный |
Ссылки
- Badwal, S. P. S., Giddey, S. S., Munnings, C., Bhatt, A. I., Hollenkamp, A. F. Emerging electrochemical energy conversion and storage technologies. Front. Chem. 2 (79), 1-28 (2014).
- Gross, M. D., Vohs, J. M., Gorte, R. J. An examination of SOFC anode functional layers based on ceria in YSZ. J. Electrochem. Soc. 154 (7), B694-B699 (2007).
- Smith, B. H., Gross, M. D. A highly conductive oxide anode for solid oxide fuel cells. Electrochem. Solid-State Lett. 14 (1), B1-B5 (2011).
- Vo, N. M., Gross, M. D. The effect of vanadium deficiency on the stability of Pd and Pt catalysts in lanthanum strontium vanadate solid oxide fuel cell anodes. J. Electrochem. Soc. 159 (5), B641-B646 (2012).
- Sholklapper, T. Z., Jacobson, C. P., Visco, S. J., De Jonghe, L. C. Synthesis of dispersed and contiguous nanoparticles in solid oxide fuel cell electrodes. Fuel Cells. 8 (5), 303-312 (2008).
- Jiang, Z., Xia, C., Chen, F. Nano-structured composite cathodes for intermediate-temperature solid oxide fuel cells via an infiltration/impregnation technique. Electrochim. Acta. 55 (11), 3595-3605 (2010).
- Zhan, Z., Bierschenk, D. M., Cronin, J. S., Barnett, S. A. A reduced temperature solid oxide fuel cell with nanostructured anodes. Energy Environ. Sci. 4, 3951-3954 (2011).
- Gross, M. D., Vohs, J. M., Gorte, R. J. Recent progress in SOFC anodes for direct utilization of hydrocarbons. J. Mater. Chem. 17, 3071-3077 (2007).
- Gross, M. D., Carver, K. M., Deighan, M. A., Schenkel, A., Smith, B. M., Yee, A. Z. Redox stability of SrNbxTi1-xO3-YSZ for use in SOFC anodes. J. Electrochem. Soc. 156 (4), B540-B545 (2009).
- Savaniu, C. D., Irvine, J. T. S. La-doped SrTiO3 as anode material for IT-SOFC. Solid State Ionics. 192 (1), 491-493 (2011).
- Choi, S., Shin, J., Kim, G. The electrochemical and thermodynamic characterization of PrBaCo2-xFexO5+δ (x=0,0.5,1) infiltrated into yttria-stabilized zirconia scaffold as cathodes for solid oxide fuel cells. J. Power Sources. 201, 10-17 (2012).
- Kungas, R., Kim, J. S., Vohs, J. M., Gorte, R. J. Restructuring porous YSZ by treatment in hydrofluoric acid for use in SOFC cathodes. J. Am. Ceram. Soc. 94 (7), 2220-2224 (2011).
- Jung, W., Dereux, J. O., Chueh, W. C., Hao, Y., Haile, S. M. High electrode activity of nanostructured, columnar ceria films for solid oxide fuel cells. Energy Environ. Sci. 5, 8682-8689 (2012).
- Cottam, M., Muhoza, S., Gross, M. D. Preserving nanomorphology in YSZ scaffolds at high temperatures via in situ carbon templating of hybrid materials. J. Amer. Ceram. Soc. 99 (8), 2625-2631 (2016).
- Alves, L. A., Silva, J. B. A., Giulietti, M. Solubility of D-Glucose in Water and Ethanol/Water Mixtures. J. Chem. Eng. Data. 52, 2166-2170 (2007).
- Thommes, M., Smarsly, B., Groenewolt, M., Ravikovitch, P. I., Neimark, A. V. Adsorption hysteresis of nitrogen and argon in pore networks and characterization of novel micro- and mesoporous silicas. Langmuir. 22, 756-764 (2006).
- Chervin, C. N., et al. A non-alkoxide sol-gel method for the preparation of homogeneous nanocrystalline powders of La0.85Sr0.15MnO3. Chem. Mater. 18, 1928-1937 (2006).
- Clapsaddle, B. J., Sprehn, D. W., Gash, A. E., Satcher, J. H. Jr, Simpson, R. L. A versatile sol-gel synthesis route to metal-silicon mixed oxide nanocomposites that contain metal oxides as a major phase. J. Non-Crystalline Solids. 350, 173-181 (2004).
- Gash, A. E., et al. Use of epoxides in the sol-gel synthesis of porous iron (III) oxide monoliths from Fe(III) salts. Chem. Mater. 13, 999-1007 (2001).
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Перепечатки и разрешения
