Исследование и картирование поверхности электродов в ТОТЭ

Целью данного эксперимента является содействие пониманию механизмов реакции твердых оксидов, топливных элементов или электродов ТОТЭ и механизмов деградации элементов, работающих на топливе, загрязненном углеводородами и серой. Таким образом, мы получаем представление о рациональном проектировании материалов ТОТЭ. Это достигается путем изготовления ячеек с рабочим электродом, состоящим из никелевого сетчатого электрода, встроенного в ирэа, стабилизированный диоксид циркония или YSC, и испытания электрохимических характеристик и стабильности ячеек в углеводородном и сероводородсодержащем топливе.

В качестве второго шага рамановская спектроскопия выполняется на сетчатом электроде в условиях in situ u и XE 2, что дает информацию о химических веществах и фазах, участвующих в деградации электродов, где происходит деградация и как ее можно предотвратить. Затем используются методы сканирующей зондовой микроскопии для определения характеристик электрода, чтобы визуализировать деградацию электрода и морфологию поверхности в нанометровом масштабе. Основное преимущество этих методов перед другими методами анализа поверхности, такими как электронные ОФЭКТ, заключается в том, что они не требуют высокого вакуума для работы.

Эти методы могут помочь собрать полезную информацию в области твердооксидных топливных элементов, например, о природе механизмов, определяющих производительность и деградацию электродов. Применение этих методов распространяется на микроскопическую оскопию и процессы преобразования энергии. Поэтому они будут интересны зрелым ученым, электрохимикам, специальным копиям и другим интересующим их лицам.

Эти темы, тем не менее, эти методы были разработаны для зондирования и картирования поверхностных процессов электродов в топливных элементах на основе оксида соли. Они также могут применяться в электрохимических системах, таких как аккумуляторы и суперсистемы. Чтобы начать изготовление анодной ячейки, отвесьте две партии по две десятых грамма порошка YSZ с помощью одноосевого сухого пресса и цилиндрической формы из нержавеющей стали.

Диаметром 13 миллиметров сжимают одну партию порошка YSZ под давлением 50 мегапаскаль в течение 30 секунд. Затем отрежьте кусок размером менее одного сантиметра, 50 никелевую сетку, сплетенную из проволоки 50 микрометров, и поместите ее на поверхность проволоки Z-диском внутри формы. Затем добавьте остальные две десятых грамма порошка YSC поверх никелевой сетки внутри формы и разровняйте поверхность порошка с помощью плунжера.

Прижмите сэндвич из никелевой сетки между пачками порошка YSC в осевом направлении, и давление 300 MegaPath весится в течение 30 секунд. Теперь извлеките прессованную никелевую гранулу YSC из формы. Поместите гранулу в циркониевый тигель и поместите его в горизонтальную трубчатую печь с проточной атмосферой восстановительного газа, состоящей из 4% молекулярного водорода и 96% аргона.

Обжигайте гранулу при температуре 1,440 градусов SIU в течение пяти часов после изготовления и охлаждения электрода. Механически отшлифуйте одну поверхность центрированной проволоки C от образца с помощью алмазной зернистости толщиной шесть микрометров, пока не обнажится поверхность никелевой сетки. Продолжайте полировку открытой поверхности никелевой сетки с использованием алмазного фильтрующего материала размером три микрометра, одного микрометра и 0,1 микрометра в водной суспензии этиленгликоля в течение примерно одной минуты на каждом этапе полировки для получения сетки с повышенной стойкостью к коингу.

После очистки и сушки разложите образец и закопайте амидный порошок в тигель так, чтобы он не соприкасался. Затем обжигите образец при температуре 1200 градусов Цельсия в течение двух часов в восстановительной атмосфере. Подготовьте образец к электрохимическому испытанию, нанеся серебряную пасту кистью на поверхность проволоки C напротив никелевой сетки, которая будет действовать как противоэлектрод.

После высыхания прикрепите спиральную серебряную проволоку к противоэлектроду с помощью серебряной пасты и подсоедините серебряную проволоку диаметром 0,2 миллиметра к никелевой сетке с помощью серебряной пасты на конце. После высыхания образца снова запечатайте ячейку никелевой сеткой вниз поверх керамической трубки крепления ячейки размером три восьмых дюйма с помощью пломбы remco 5 5 2, также известной как cera bond. После того как герметик высохнет, соедините изолированные серебряные провода с ведущими электродами.

Далее смонтируйте приспособление для ячеек в трубчатую печь. Подключите приспособление к газовой магистрали и прикрепите провода к электрохимическому испытательному оборудованию. Затем пузырь молекулярного газообразного водорода сверхвысокой чистоты через воду комнатной температуры, чтобы увлажнить ее до 3% объема воды.

Направляйте этот увлажненный газ через арматуру ячейки со скоростью 50 стандартных кубических сантиметров в минуту. После надлежащего нагрева ячейки и центрирования серебряного противоэлектрода поднимите ячейку до температуры 767 градусов Цельсия для проверки электрохимических характеристик. После того, как тестирование завершено и образец подготовлен к определению характеристик, прикрепите ячейку с помощью ленты или клея к столику микроскопа рамен сетчатым анодом вверх.

Когда лазер сфокусирован на границе раздела никеля и подложки из YSC, установите плунжер и спектрометр для получения спектров из пересечений прямоугольной сетки. Перекрывая область границы раздела с пересечениями, разделенными двумя микрометрами, спектры должны быть центрированы вокруг волнового числа, соответствующего интересующей моде комбинационного рассеяния света. В этом случае для оксидов серы выбирается 980 обратных сантиметров.

Следующим шагом является интегрирование интенсивности по интересующей нас рамановской моде для каждого спектра и деление на плоскую базовую линию с тем же спектром, затем относительная интенсивность может быть нанесена на контурную и цветовую карту относительно его координат. Чтобы контролировать сцепление анода, используйте серебряную пасту, чтобы прикрепить никелевую сетку с проволокой к краю высокотемпературной реакционной камеры Harrick Scientific Ramen вверх. Затем закройте камеру сцены рамэн.

Затем установите камеру с образцом на микроскоп рама с оклевым капустом проводом C и начните подачу увлажненного, 4% молекулярного водорода и 96% газа аргона через камеру со скоростью примерно 100 стандартных кубических сантиметров в минуту. Теперь нагрейте камеру рамена до 625 градусов по Цельсию. Сфокусируйте лазер и соберите базовые сканы рамена из пятен на никелевой сетке и подложке YSC в диапазоне от 150 до 2000 обратных сантиметров.

Затем введите от трех до 5% пропана в газовый поток и соберите таран и спектры никеля через равные промежутки времени, пока газ течет. Чистая никелевая фольга используется для визуализации осаждения углерода с помощью атомно-силовой микроскопии или ФМ и электростатической силовой микроскопии или ЭФМ с использованием квадратного купона размером 10 миллилитров на один миллилитр, вырезанного из никелевой фольги с одной стороны купона вплоть до 0,1 микрометра. Следуя шагам, использованным ранее в печи с кварцевой футеровкой при температуре 550 градусов Цельсия, полированный никелевый купон подвергался воздействию увлажненного проточного газа, содержащего 10% пропана, сбалансированного Аргоннским методом в течение одной минуты.

Затем извлеките образец из печи и облицовку кварцевой трубки. Изучите морфологию поверхности с помощью оптической микроскопии и сканирующей электронной микроскопии, чтобы подготовить образец к исследованию с помощью атомно-силовой микроскопии и электростатической силовой микроскопии. Закрепите образец на металлическую шайбу с помощью медной проводящей ленты.

После этого установите на держатель наконечника силиконовую базу торцевого типа, FM-наконечник или проводящий FM-наконечник. Теперь возьмите образец с собой на A FM. Затем соберите морфологическое изображение с помощью FM в режиме нажатия для сбора информации в режиме подъема. Начните с высоты подъема в 100 нанометров и постепенно уменьшайте ее примерно до значения шероховатости поверхности, чтобы электростатическое взаимодействие было достаточно сильным для EFM-визуализации.

Отсканируйте образец на соответствующей высоте в режиме подъема. Для сбора информации как о рельефе, так и о фазовом угле. Определите четкую фазу или морфологический интерфейс и соберите серию сканирований линий EFM на этом интерфейсе, изменяя смещение образца.

Затем определите напряжение, при котором контраст между двумя фазами меняется, сравнив сканирование линии EFM при различных потенциалах смещения выборки. Затем соберите полное изображение с использованием смещения образца, которое находится на один-два вольта ниже напряжения переключателя, и соберите еще одно изображение со смещением образца на один-два вольта выше напряжения переключателя. Область, покрытая углеродом, выглядит светлой, когда образец смещен отрицательно, и темной, когда он смещен положительно при сканировании поверхности образца.

В этом режиме можно получить распределение и поверхностную морфологию осаждения углерода. Никелевый сетчатый электрод был протестирован на работоспособность как в условиях молекулярного водорода, так и в условиях сероводорода. Типичные результаты для кривых напряжения и мощности тока при температуре 767 градусов Цельсия Как показано здесь, введение всего нескольких частей на миллион сероводорода может привести к значительному ухудшению производительности.

Вот графики Найквиста для элемента до и после того, как анод подвергся воздействию топлива, содержащего ноль и 20 частей на миллион сероводорода при температуре 767 градусов Цельсия. Импедансная спектроскопия элемента переменного тока проводилась в условиях напряжения холостого хода. Левая кривая — это типичное поведение при отравлении, а правая сторона — типичное поведение клетки при восстановлении при 767 градусах Цельсия.

Менее 20 частей на миллион сероводорода и смещение постоянного тока в отрицательные три десятых вольт. Как отравление, так и восстановление, по-видимому, завершаются и достигают устойчивого состояния в течение нескольких минут, что отличается от длительного времени восстановления, необходимого для более толстой никелевой проволоки. Одес ранее изучал оптическую микрофотографию.

Интерфейс C из никелевой проволоки показан слева. Справа находится карта рамена того же района. Карта рамена показывает интенсивность режима, связанного с различными оксидами серы.

Эти виды наблюдались исключительно на поверхности никеля и концентрировались вдали от тройных фазовых границ. Это изображение представляет собой оптическую микрофотографию никелевой сетки, встроенной в YSZ. Эта картинка представляет собой одну и ту же сетку после воздействия пропансодержащего газа при температуре 625 градусов Цельсия в течение 15 часов.

Правый рисунок представляет собой спектры комбинационного рассеяния света, собранные in situ из пятен, отмеченных на оптической микрофотографии слева после 15 часов воздействия пропана. Справа показан плюс изменения сигнала карбонового рамена. Интенсивность, собранная с течением времени в месте, определенном зеленым пятном на оптическом микроснимке слева.

Эти две панели позволяют сравнивать никелевую сетку YSC, модифицированную барьерным оксидом, для придания повышенной устойчивости к сцеплению в тех же условиях, что и у немодифицированной сетки. Оба подвергались воздействию газа, содержащего пропан, при температуре 625 градусов по Цельсию в течение 15 часов. На этом снимке, полученном с помощью сканирующего электронного микроскопа, видны однородные темные пятна, образовавшиеся на поверхности никеля после воздействия на него газа с некоторым содержанием пропана.

Слева представлены изображения областей с различными уровнями коинга, полученные с помощью атомно-силового микроскопа. Эти же области также визуализируются с помощью электростатической силовой микроскопии справа при попытке выполнения этой процедуры. Важно помнить, что некоторые поверхности должны быть как можно более чистыми от других загрязнений, таких как полированная среда.

Не забывайте, что работа с высокотемпературными печами и горючими газами может быть чрезвычайно опасной, поэтому следует принимать надлежащие меры предосторожности, такие как ношение защитного снаряжения и использование надлежащей сигнализации. Я надеюсь, что это видео показало, как получить информацию о процессах на поверхности электродов в оксидных топливных элементах, которая поможет вам лучше проектировать материалы электродов.