Summary
हम ठोस ऑक्साइड ईंधन कोशिकाओं (SOFCs) में इलेक्ट्रोड सतहों निस्र्पक के लिए एक अनूठा मंच है कि कई लक्षण वर्णन तकनीक का एक साथ प्रदर्शन (की अनुमति देता है मौजूद
Protocol
1. एक मेष YSZ एम्बेडेड Anode सेल का निर्माण
- YSZ पाउडर के 0.2 ग्राम के दो बैचों वजन.
- एक uniaxial 50 MPa की एक दबाव में 30 सेकंड के लिए सूखी प्रेस के साथ एक बेलनाकार स्टेनलेस स्टील मोल्ड में एक बैच YSZ पाउडर (व्यास में 13 मिमी) सेक.
- एक <नी जाल का टुकड़ा 1 सेमी कट और YSZ डिस्क की सतह पर यह मोल्ड के अंदर जगह है.
- मोल्ड अंदर नी जाल के शीर्ष पर अन्य 0.2 YSZ पाउडर के जी जोड़ें और एक पाउडर का उपयोग कर राम की सतह समतल.
- एकाक्षीय नी YSZ पाउडर के पैक के बीच 300 MPa की दबाव में 30 सेकंड के लिए sandwiched जाल दबाएँ.
- आचारण से दबाया नी / YSZ गोली निकालें.
- 1440 डिग्री सेल्सियस पर एक zirconia क्रूसिबल में 5 घंटा एक बह गैस वातावरण को कम करने के साथ एक क्षैतिज भट्ठी ट्यूब (4% 2 एच / बाल. Ar) का उपयोग करने के लिए गोली आग.
2. एक्सपोजर, चमकाने, नी मेष इलेक्ट्रोड का संशोधन और
- मैकेनिकसहयोगी दूर sintered YSZ नमूना 6 सुक्ष्ममापी हीरे धैर्य का उपयोग का एक चेहरा पीस तक नी जाल सतह से पता चला है.
- इसके अलावा उजागर नी जाल प्रत्येक चमकाने कदम पर लगभग 1 मिनट के लिए 3 सुक्ष्ममापी, 1 सुक्ष्ममापी, और एक glycol / पानी ethylene निलंबन में 0.1 सुक्ष्ममापी हीरा मीडिया का उपयोग कर सतह पॉलिश.
- Ultrasonically एसीटोन, इथेनॉल, और डि पानी में 10 मिनट प्रत्येक के लिए पॉलिश नमूना साफ.
- एक साफ संपीड़ित हवा धारा के तहत नमूना सूखी.
- बढ़ कोकिंग प्रतिरोध के साथ नी जाल के लिए, १,२०० डिग्री सेल्सियस की उपस्थिति में वातावरण को कम करने में 2 घंटे के लिए नमूना आग, लेकिन नहीं, Bao पाउडर संपर्क में.
3. तैयारी और पूर्ण प्रकोष्ठों के विद्युत परीक्षण
- ब्रश पेंट नी जाल से YSZ नमूना के विपरीत सतह पर एजी पेस्ट एक काउंटर इलेक्ट्रोड के रूप में कार्य करने के लिए.
- काउंटर इलेक्ट्रोड एजी पेस्ट का उपयोग करने के लिए एक coiled एजी तार संलग्न.
- Sampl पर एजी पेस्ट सूखने के बाद30 मिनट के लिए ओवन में 120 पर ई ° सी, नी जाल नोक पर एजी पेस्ट का उपयोग करने के लिए एक 0.2 मिमी व्यास एजी तार कनेक्ट.
- नमूना फिर से 30 मिनट के लिए एक ओवन में 120 डिग्री सेल्सियस पर सूखी.
- एक 3/8 इंच सिरेमिक सेल स्थिरता Aremco 552 सील (Ceramabond) का उपयोग ट्यूब के शीर्ष पर सेल (नी नीचे जाल) सील.
- सीलेंट हवा में 2-4 घंटे के लिए शुष्क करने की अनुमति दें.
- दो इलेक्ट्रोड तारों के प्रत्येक के लिए दो अछूता चांदी के तारों से कनेक्ट करें.
- सेल स्थिरता माउंट एक ट्यूबलर भट्ठी में, एक गैस लाइन के लिए स्थिरता कनेक्ट, और उचित विद्युत उपकरणों के परीक्षण के तारों देते हैं.
- कमरे के तापमान के पानी के माध्यम से गैस bubbled 3% Vol गैस गीला किया जाना चाहिए, अल्ट्रा उच्च शुद्धता (99,999%) ग्रेड एच 50 SCCM की एक दर पर 2 सेल स्थिरता के माध्यम से गैस बह शुरू करो एच 2 हे पहले सेल स्थिरता में प्रवेश करने के लिए.
- ° के लिए सी 2 घंटा घुड़सवार 100 सेल, 260 द्वारा पीछा ° 1 घंटे के लिए सी के साथ भट्ठी, गर्मी और फिर अंत में 800 डिग्री सेल्सियस1 के एक ramping दर डिग्री सेल्सियस साथ नी इलेक्ट्रोड के ऑक्सीकरण से बचने हीटिंग दौरान 2 एच के बहने जारी रखा. पहले दो हीटिंग कदम Ceramabond के इलाज के लिए कर रहे हैं.
- 800 डिग्री सेल्सियस से कम 2 घंटे के लिए भट्ठी में सेल सिंटर एजी काउंटर इलेक्ट्रोड की अनुमति पकड़ो.
- 767 डिग्री सेल्सियस प्रदर्शन विद्युत परीक्षण के लिए थोड़ा सेल बढ़िया.
- परीक्षण के बाद, ध्यान से शमन के लिए भट्ठी से कमरे के तापमान पर सेल स्थिरता जबकि प्रवाह humidified एच 2 जारी हटा दें. (चेतावनी: थर्मल दस्ताने और मैट के रूप में बेहद गर्म मिट्टी के बरतन, से निपटने के लिए उचित पीपीई का उपयोग करें.)
- बाद लक्षण वर्णन के लिए दृढ़ता से इलेक्ट्रोड तारों detaching और ध्यान से Ceramabond सीलेंट से सेल को अलग से सेल को अलग करें.
* 1 चित्रा एक ठेठ तस्वीर और एम्बेडेड ऑप्टिकल माइक्रोग्राफ के साथ साथ YSZ एम्बेडेड नी जाल सेल की एक योजनाबद्ध, प्रस्तुतजाल.
* हमारी जांच के लिए, कोशिकाओं electrochemically EG & G PAR (273A मॉडल) potentiostat एक Solartron HF 1255 आवृत्ति प्रतिक्रिया का उपयोग कर CorrWare और ZPlot सॉफ्टवेअर (Scribner और एसोसिएट्स) विश्लेषक के साथ मिलकर विशेषता के साथ थे. रैखिक झाडू voltammetry और निरंतर वोल्टेज amperometry सेल प्रदर्शन को चिह्नित करने के लिए इस्तेमाल किया गया, और प्रतिबाधा स्पेक्ट्रा 100 kHz की आवृत्ति रेंज में 0.1 हर्ट्ज के लिए 10 एम वी के एक आयाम के साथ हासिल किया गया है. सल्फर विषाक्तता अध्ययन के लिए, 2 एच में 100 पीपीएम एच 2 एस के प्रमाणित गैस मिश्रण के साथ शुद्ध एच 2 ईंधन गैस धारा में मिलाया गया था एक 20 एच 2 एस / एच 2 मिश्रण पीपीएम प्राप्त.
4. परीक्षण के बाद रमन Spectromicroscopic मानचित्रण
- सेल नमूना प्रत्यय जाल टेप या चिपकने वाला रमन विश्लेषण के दौरान नमूना आंदोलन को रोकने के साथ रमन खुर्दबीन मंच प्लेट पर ऊपर की ओर का सामना करना पड़ रहा anode के साथ.
- माइक्रोस्कोप और XYZ चरण का उपयोगनी जाल और YSZ सब्सट्रेट के बीच एक अंतरफलक सीमा का पता लगाने.
- खुर्दबीन फिल्टर स्विचन और पतले समायोजन Z मंच के समन्वय के द्वारा ध्यान में लेजर लाओ.
- स्पेक्ट्रोमीटर रमन के सेट लिए एक आयताकार 2 सुक्ष्ममापी नोड्स को अलग अंतराल के साथ इंटरफेस के क्षेत्र overlaying जाल नोड्स स्पेक्ट्रा प्राप्त करने के. स्पेक्ट्रा (ओं) wavenumber प्रजाति या ब्याज के चरण (ओं) के रमन मोड (ओं) को इसी के आसपास केंद्रित किया जाना चाहिए. इस मामले में, 980 सेमी -1 तो एक्स के लिए चुना जाता है.
- प्रत्येक स्पेक्ट्रा के लिए, ब्याज की रमन मोड (ओं) के पार तीव्रता को एकीकृत करने के लिए और एक ही स्पेक्ट्रम के साथ एक फ्लैट आधारभूत द्वारा तीव्रता विभाजित. रिश्तेदार तीव्रता तो अपने समन्वय करने के लिए सम्मान के साथ एक नक्शा / समोच्च रंग में प्लॉट किया जा सकता है.
रमन spectromicroscopy एक Renishaw RM1000 एक StellarPro Modu लेजर 514 एनएम Ar आयन (5 मेगावाट) लेजर और एक गु के साथ सुसज्जित प्रणाली का उपयोग करते हुए प्रदर्शन किया गया थाorlabs HRP170 633 एनएम वह-NE लेजर (17 मेगावाट). प्रणाली एक XYZ मोटर चालित (पहले वैज्ञानिक H101RNSW) मंच और एक 50X उद्देश्य लेंस, जो एक साथ ~ 2 सुक्ष्ममापी मानचित्रण संकल्प के लिए अनुमति देने के साथ सुसज्जित है. Renishaw तार 2.0 सॉफ्टवेयर हार्डवेयर के साथ संयोजन के रूप में इस्तेमाल किया गया था. डेटा MATLAB (MathWorks) का उपयोग संसाधित किया गया था.
5. स्वस्थानी रमन निगरानी में 8 कोकिंग
- रमन कक्ष चरण जाल के साथ ऊपर की ओर का सामना करना पड़ एजी पेस्ट का उपयोग करने के लिए एक YSZ एम्बेडेड नी जाल नमूना संलग्न.
- गर्मी 1 घंटे के लिए 300 डिग्री सेल्सियस के लिए खुले चैम्बर के लिए सूखी और एजी पेस्ट निलंबन मध्यम खत्म.
- रमन कक्ष टोपी और रमन खुर्दबीन मंच को जोड़ना सील. माइक्रोस्कोप का उपयोग करने अंतरफलक / नी YSZ का पता लगाने के रूप में 4.2 प्रोटोकॉल में वर्णित है.
- 4% एच / 2 Ar ~ 100 SCCM कक्ष के माध्यम से पानी bubbler द्वारा humidified गैस का प्रवाह शुरू करो.
- 625 डिग्री सेल्सियस के लिए रमन कक्ष गर्मी
- ध्यान में लेजर लाओऔर नी जाल और 150-2000 सेमी -1 रेंज में YSZ सब्सट्रेट पर धब्बे से आधारभूत रमन स्कैन एकत्र.
- गैस के प्रवाह में 3-5% 3 सी एच 8 परिचय और नियमित अंतराल पर नी से रमन स्पेक्ट्रा जमा करते समय गैस समय पर सतह (15 जैसे घंटा) पर कार्बन के बयान का पालन करने के लिए बह रही है.
- नमूना शांत नीचे धीरे धीरे (5 डिग्री सेल्सियस / मिनट) 4% 2 एच / Ar बह में.
* स्वस्थानी रमन विश्लेषण में एक कस्टम संशोधित Harrick वैज्ञानिक प्रतिक्रिया उच्च तापमान chamber.The चैम्बर एक क्वार्ट्ज खिड़की टोपी, गैस कनेक्शन, और एक ठंडा लाइन के साथ सुसज्जित है के साथ प्रदर्शन किया गया था. एक योजनाबद्ध और तस्वीर चित्रा 2 में प्रदान की जाती है.
चेतावनी: शीतलक पानी हीटिंग से रमन प्रणाली पर ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप की रक्षा करने के लिए इस्तेमाल किया जाना चाहिए!
6. AFM और EFM द्वारा कोकिंग नेनो पैमाने विज़ुअलाइज़ेशन
- पोलिश एक 1 x 1 मिमी वर्ग निकल 0.1 सुक्ष्ममापी की ग्रेड 2.2 प्रोटोकॉल में वर्णित के रूप में करने के लिए नीचे कूपन सेमी की एक चेहरा.
- एक क्वार्ट्ज ट्यूब लाइन भट्ठी, 1 मिनट के लिए 10% सी 3 8 एच 550 पर एर से संतुलित ° सी युक्त गैस बह पॉलिश निकल कूपन का पर्दाफाश, गैस कमरे के तापमान के पानी के माध्यम से bubbled किया जाना चाहिए 3 से गैस गीला % Vol. एच 2 ओ क्वार्ट्ज ट्यूब में प्रवेश करने से पहले.
- भट्ठी से नमूना निकालें. ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी और SEM से सतह morphology का निरीक्षण किया.
- AFM और EFM अध्ययन के लिए एक धातु तांबा प्रवाहकीय टेप का उपयोग पक पर नमूना माउंट.
- एक morphology मोड दोहन AFM का उपयोग कर छवि ले लीजिए.
- बिजली धारक (MMEFCH) पर एक n-प्रकार सी आधारित AFM टिप (NSC16) या एक प्रवाहकीय AFM टिप (CSC11/Cr-Au) स्थापित करें.
- "लिफ्ट मोड" में सतह नमूना है, जिसमें टिप 1 नमूना सतह और वें भर में अपनी पहली यात्रा पर स्थलाकृतिक जानकारी इकट्ठा स्कैनएन होश electrostatic बल जानकारी के लिए अपनी दूसरी यात्रा पर चरण कोण. लिफ्ट ऊंचाई सेट करने के लिए शुरू में 100 एनएम, और धीरे - धीरे यह सतह खुरदरापन (20-30 एनएम) के लगभग एक ही मूल्य कम.
- नशे और साफ निकल सतह के क्षेत्र के बीच एक स्पष्ट इंटरफेस के पार, EFM linescans की एक श्रृंखला एकत्र जबकि नमूना पूर्वाग्रह बदलते.
- अलग नमूना पूर्वाग्रह क्षमता पर EFM linescans तुलना करके, वोल्टेज चरण कोण विपरीत जिस पर 21 flips की पहचान.
- एक नमूना पूर्वाग्रह है कि 1-2V नकारात्मक wrt स्विच बिंदु, और नमूना पूर्वाग्रह के साथ एक और छवि है कि 1-2V सकारात्मक wrt स्विच बिंदु है है के साथ एक छवि ले लीजिए.
- स्थलाकृति, छवि, और अलग नमूना biases पर EFM छवियों के दो सेट की तुलना करके, नमूना पर कार्बन और निकल चरण की एक वितरण नक्शा प्राप्त करते हैं. * हमारे एसपीएम विश्लेषण के लिए, एक Veeco NanoScope IIIA प्रणाली का इस्तेमाल किया गया था. EFM विश्लेषण का काम सिद्धांत का एक योजनाबद्ध23, 24 3 चित्र में दिखाया गया है.
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Representative Results
सल्फर विषाक्तता विश्लेषण
4 चित्र में दिखाया 2 एच के तहत एक नी जाल इलेक्ट्रोड और 20 पीपीएम एच एस 2 की हालत के साथ एक सेल के विशिष्ट चतुर्थ और आईपी घटता. जाहिर है, एच 2 एस के भी सिर्फ कुछ पीपीएम के परिचय जहर anode-YSZ नी और काफी प्रदर्शन में गिरावट का कारण बन सकता है.
आदेश में और अधिक अधिकता anode-YSZ नी की विषाक्तता के व्यवहार को समझने के लिए, सेल के एसी प्रतिबाधा स्पेक्ट्रोस्कोपी खुले सर्किट वोल्टेज शर्तों (OCV) के तहत किया गया था. चित्रा 5 में दिखाया Nyquist सेल के लिए भूखंडों पहले और बाद में anode 767 में 0 और 20 पीपीएम एच 2 एस युक्त ईंधन के लिए खुल गए थे डिग्री सेल्सियस दो इलेक्ट्रोड प्रतिबाधा इस अध्ययन में इस्तेमाल किया गया था, के बाद से सेल प्रतिबाधा काम इलेक्ट्रोड के द्वारा प्रभुत्व है, इसलिए एक संदर्भ इलेक्ट्रोड की जरूरत नहीं थी. प्रतिबाधा स्पेक्ट्रा बताते हैं कि थोक प्रतिरोध एक ही क बने रहेइले interfacial प्रतिरोध के बाद नाटकीय रूप से वृद्धि हुई है anode एच 2 एस युक्त ईंधन के लिए खुल गया.
चित्रा 6 में दिखाया ठेठ और सेल 767 में 20 पीपीएम एच एस 2 के तहत वसूली व्यवहार डिग्री सेल्सियस विषाक्तता दोनों विषाक्तता और वसूली की प्रक्रिया करने के लिए खत्म करने के लिए और कुछ ही मिनटों के भीतर स्थिर अवस्था तक पहुंच है, जो मोटी-YSZ नी है कि पहले अध्ययन किया, जहां एक बहुत लंबे समय तक समय सीमा वसूली प्रक्रिया 25, 26 के लिए विशेष रूप से जरूरत थी anodes से बहुत अलग व्यवहार करने लगते हैं.
रमन तीव्रता मानचित्रण कैसे इलेक्ट्रोड सतह ईंधन गैस में सल्फर के साथ सूचना का आदान प्रदान के बारे में अधिक रासायनिक में जानकारी हासिल करने के लिए इस्तेमाल किया गया था चित्रा 7. एक ही क्षेत्र के एक रमन नक्शा जुड़े मोड की तीव्रता की साजिश रचने के साथ साथ नी / YSZ इंटरफ़ेस का एक ऑप्टिकल माइक्रोग्राफ प्रदर्शित करता है साथ तो एक्स प्रजातियों (960-1,000 -1 सेमी के बीच एकीकृत तीव्रता). प्रजातियों Exclus थेively नी सतह पर मनाया रहे थे और आम तौर पर और अधिक ध्यान केंद्रित TPBs से दूर.
YSZ एम्बेडेड नी मेष पर स्वस्थानी कोकिंग रमन विश्लेषण
चित्रा 8a 625 में एक unmodified नी जाल इलेक्ट्रोड के ऑप्टिकल माइक्रोग्राफ ° C माहौल 8 घंटे 3 सी की शुरूआत से पहले सीधे (अवांछित नी ऑक्सीकरण रोकने के लिए) को कम करने में प्रदर्शित करता है. सी 3 8 एच के बाद चेंबर में बहने लगे, स्पेक्ट्रा नी जाल का एक नमूना की सतह पर एक जगह से समय - समय पर एकत्र किए गए. इस मौके पर चित्रा 8b में ग्रीन सर्कल, ° जो गीला सी 3 एच 8 जोखिम के 15 घंटे के बाद 625 में से पता चलता है जाल सी. द्वारा चिह्नित है कार्बन नी जाल सतह पर केवल detectable है, सब्सट्रेट (लाल चौक) से एकत्र स्पेक्ट्रम केवल YSZ विशेषताएं (चित्रा 8c) से पता चलता है. Expos के पहले कुछ घंटों में रिश्तेदार कार्बन संकेत तीव्रता में परिवर्तन का एक भूखंडure समय चित्रा 8d में दिखाया गया है. कार्बन संकेत की तीव्रता में वृद्धि के रूप में कार्बन कोकिंग से नी की सतह पर बनाया. detectable कार्बन संकेत की राशि के अंत में कुछ ही घंटों के बाद से लगाया. नी जाल Bao द्वारा संशोधित रूप में 2.5 प्रोटोकॉल में वर्णित नमूना ही प्रयोगात्मक शर्तों के अधीन था. एक माइक्रोग्राफ और रमन स्पेक्ट्रा संशोधित जाल नमूना की सतह से एक ही 15-घंटा आंकड़े 8b/8c के रूप जोखिम निशान पर एकत्र चित्रा 8e और चित्रा 8f में दिखाया जाता है, क्रमशः. कार्बन नी सतह पर भी इस मामले में detectable संकेत नहीं था.
कोकिंग नी पर एसपीएम विश्लेषण
Inhomogeneous काले धब्बे नी कूपन की सतह पर गठन के बाद यह 3 सी एच 8 युक्त गैस, जो SEM छवियों में 9 चित्र में चित्रित कर रहे हैं के लिए खुल गया. 10 चित्रा में दिखाया AFM / EFM छवियों takएन इन दोनों प्रकाश और अंधेरे क्षेत्रों से.
चित्रा 1 नी पैटर्न इलेक्ट्रोड सेल निर्माण और 27 लक्षण वर्णन के योजनाबद्ध आरेख.
चित्रा 2 चैम्बर (सही) की एक तस्वीर के साथ लिए स्वस्थानी रमन विश्लेषण (बाएं) में पर्यावरण कक्ष की स्थापना के योजनाबद्ध. तस्वीर में पीले ट्यूबों पानी की लाइनों की जो बाईं तरफ योजनाबद्ध में नहीं कल्पना कर रहे हैं ठंडा कर रहे हैं.
चित्रा 3 electrostatic बल माइक्रोस्कोपी (EFM) का काम सिद्धांत के योजनाबद्ध. (ए) योजनाबद्ध पूर्वाग्रह दिखानमूना पर pplied. (बी) के कंपन आवृत्ति बनाम चरण AFM टिप साजिश के कोण पाली, मजबूत electrostatic बातचीत चरण कोण में बड़ा degrease incurs. (सी) ढांच के रूप में नमूना के इलेक्ट्रॉन ऊर्जा बैंड आरेख (निकल और कार्बन) और टिप टिप जब नमूना पक्षपाती है सकारात्मक WRT और (डी) जब नमूना पक्षपाती है नकारात्मक 28 टिप wrt.
4 चित्रा 20 पीपीएम एच 767 पर 2 एस ° 27 सी के साथ शुद्ध एच 2 और 2 एच के तहत संचालित सेल के विशिष्ट प्रदर्शन.
5 चित्रा 20 पीपीएम एच 2 एस के साथ शुद्ध एच 2 और 2 एच के साथ सेल के प्रतिबाधा स्पेक्ट्रा के रूप में ईंधन 767 ° सी संयुक्त राष्ट्र में मापाder खुले सर्किट वोल्टेज 27.
6 चित्रा ठेठ (ए) विषाक्तता और (बी) 2 एच में 20 पीपीएम एच 2 एस के साथ 767 पर ° सेल सी 0.75V 27 में संचालित की वसूली व्यवहार.
7 चित्रा YSZ नमूनों नी जाल इलेक्ट्रोड कि एच 2 एस युक्त ईंधन में संचालित किया गया था और हवा में आयु वर्ग के 18 दिनों (बाएं) के लिए एक ही क्षेत्र में एक तो एक्स बैंड के रमन नक्शे के साथ के कोने के ऑप्टिकल माइक्रोग्राफ (सही. ) 27.
चित्रा 8. (क) नी जाल ऑप्टिकल माइक्रोग्राफ YSZ में एम्बेडेड.(ख) एक ही एम्बेडेड नी जाल से संपर्क के बाद 625 पर 3 सी एच 8 युक्त गैस ° 15 घंटा के लिए सी (ग) रमन स्पेक्ट्रा में स्वस्थानी में चिह्नित स्थानों से एकत्र की. (ख) 3 सी के 15 घंटे के निशान पर एच गैस 8 युक्त जोखिम (घ) कार्बन रमन संकेत तीव्रता में परिवर्तन की साजिश ग्रीन सर्कल जगह से समय पर (ख) में चिह्नित नी जाल पर एकत्र (ई) के दौरान बाओ संशोधित नी जाल और YSZ के इंटरफेस के निकट ऑप्टिकल माइक्रोग्राफ. वही 3 सी एच 8 उपचार (च) (ई) में चिह्नित स्थानों से 15 घंटे के निशान पर रमन स्पेक्ट्रा में सीटू एकत्र. (8 से Reproduced). बड़ा आंकड़ा देखने के लिए यहां क्लिक करें .
9 चित्रा.नशे नी के SEM छवियों morphological inhomogeneous कोकिंग की वजह से मतभेद दिखा.
10 चित्रा (ए) के AFM छवि प्रकाश 9 चित्र में दिखाया क्षेत्र और (बी) एक ही क्षेत्र के EFM छवि. (सी) अंधेरे क्षेत्र के AFM छवि 10 चित्र में दिखाया गया है और (डी) एक ही क्षेत्र के EFM छवि. नमूना-1V AFM टिप करने के लिए सम्मान के साथ पक्षपातपूर्ण किया गया था, और इस प्रकार कार्बन के साथ कवर क्षेत्र के लिए एक चमकीले रंग (कमजोर बातचीत टिप नमूना) दे रही है.
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Discussion
सल्फर विषाक्तता विश्लेषण
प्रतिबाधा चित्रा 5 में दिखाया स्पेक्ट्रा का सुझाव है कि सल्फर विषाक्तता एक या एक को प्रभावित करता है कि सामग्री के थोक बजाय interfacial घटना की सतह है. विशेष रूप से, नी जाल इलेक्ट्रोड (6 चित्रा) के जल्दी विषाक्तता ईंधन गैस और बाद में सल्फर सोखना नी इलेक्ट्रोड के प्रत्यक्ष जोखिम से परिणाम हो सकता है, गैस प्रसार के मामले में इस प्रक्रिया की दर के रूप में ज्यादा के रूप में नहीं की सीमा होती है मोटी झरझरा anode नी / YSZ. नी, YSZ, और ईंधन के बीच तीन चरण सीमा (TPB) पर या उसके निकट जोरदार adsorbed सल्फर की संभावना TPB में 2 एच के विद्युत ऑक्सीकरण के लिए सक्रिय साइटों को ब्लॉक करने के लिए, जल्दी प्रदर्शन नुकसान में जिसके परिणामस्वरूप. दूसरी ओर, वसूली की प्रक्रिया के दौरान, सेल के माध्यम से गुजर वर्तमान में विशेष रूप से या TPB निकट anode सतह पर 2 तो adsorbed सल्फर की विद्युत ऑक्सीकरण, मदद कर सकते हैं. परce सल्फर 2 तो ऑक्सीकरण हो जाता है, इसे जल्दी anode सतह से desorb, गैस चरण नी / YSZ इंटरफ़ेस का फिर से निवेश (के उत्थान के TPBs) और 26 के प्रदर्शन के लगभग पूरी वसूली करने के लिए अग्रणी. हालांकि, मौजूदा कुशल पर्याप्त नहीं होने के लिए पूरी तरह से TPB क्षेत्रों, जो सतह पर प्रदर्शन की पूरी वसूली के बाद भी बनी रह सकती हैं adsorbed सल्फर से दूर हटा सकता है. हवा में इलेक्ट्रोड तो एक्स समूहों है कि रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी (7 चित्रा) से पता लगाया जा सकता है के रूप में उम्र बढ़ने से इस संभावना का पता लगाया था. रमन मानचित्रण निष्कर्ष इस परिकल्पना का समर्थन करते हैं. इसके अलावा, कोई अन्य नी - एस चरणों रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी, जो धारणा है कि अध्ययन के तापमान पर विषाक्तता प्रक्रिया नए थोक सल्फाइड चरण गठन शामिल नहीं करता है का समर्थन करता है से पता लगाया जा सकता है.
YSZ एम्बेडेड नी मेष पर स्वस्थानी कोकिंग रमन विश्लेषण
रमन परिणाम ग प्रदानlear सबूत है कि कोकिंग नी सतहों पर रियायत के तौर पर तब होता है जब एक anode-YSZ नी एक हाइड्रोकार्बन ईंधन के तहत संचालित है. कार्बन निक्षेपण के लिए नी की दिशा में यह वरीयता की संभावना है नी उच्च YSZ पर इस तरह की प्रतिक्रिया के लिए उत्प्रेरक गतिविधि की वजह से है. दूसरी ओर, कार्बन बयान जाहिरा तौर पर बंद किया गया था काफी staved Bao संशोधन के द्वारा. संशोधन उपचार यांग एट अल द्वारा किए गए काम में इस्तेमाल किया एक 16 है, जिसमें पाया गया कि Bao नी सतह से पानी की उपस्थिति में कोकिंग छंद कर सकते हैं पर नैनोकणों समान था. वर्तमान कार्य उन निष्कर्षों का समर्थन करता है.
कोकिंग नी पर एसपीएम विश्लेषण
SEM विश्लेषण विस्तृत और कार्बन बयान के विभिन्न डिग्री (9 चित्रा) के आकार आकारिकी से पता चला है. गहरा पैच भारी कार्बन बयान की संभावना क्षेत्रों थे. Electrostatic बल माइक्रोस्कोपी (EFM) AFM के साथ संयोजन में इस्तेमाल किया गया था की पुष्टि थी मददऔर नक्शा nanoscale (<25 एनएम संकल्प) पर कार्बन बयान. जबकि AFM हाइड्रोकार्बन उपचार के बाद morphological परिवर्तन भेद करने में सक्षम है, EFM एक साथ जो सतह चरणों के माध्यम से की पहचान कर रहे हैं सतह संभावित गेज (3 चित्रा). जब नमूना सकारात्मक या नकारात्मक टिप, कम या अधिक सतह संभावित (ई एफ Vac-E) के साथ क्षेत्र, क्रमशः बनाम पक्षपाती है, टिप के साथ मजबूत संपर्क उठाना होगा. निकल और कार्बन, जो दो नमूने पर मौजूद प्रजातियां हैं के बाद से, प्रत्येक एक अलग सतह की क्षमता है, EFM उन्हें अलग करने में सक्षम है. हमारे अध्ययन के मामले में, नमूना टिप करने के लिए सम्मान के साथ -1 वी पक्षपाती थी तो, कार्बन टिप के साथ कमजोर बातचीत की थी. के रूप में 10 चित्र में दिखाया गया है, प्रकाश क्षेत्र स्थलाकृति के मामले में कम खुरदरापन था, और केवल कुछ कार्बन के साथ जुड़े स्पॉट EFM छवि में दिखाने के लिए, देखें की पुष्टिy प्रकाश कार्बन बयान. इस बीच, अंधेरे क्षेत्र का निरीक्षण सतह खुरदरापन की एक बड़ी राशि है, और सतह के बहुमत टिप के साथ बातचीत के कमजोर होने प्रजातियों द्वारा कवर किया जाता है, बहुत भारी कोकिंग का संकेत है.
नेनो पैमाने मानचित्रण EFM के आधार पर प्रजातियों सामग्री पर लागू नैनो आकार के उत्प्रेरक के प्रभाव का अध्ययन करने के लिए एक आशाजनक दृष्टिकोण है. उदाहरण के लिए, निकल सतह पर Bao लागू करने के द्वारा, कवरेज और कोकिंग पैच की आकारिकी काफी बदल दिया है. EFM छवियों कि विभिन्न उत्प्रेरक के लिए स्थानीय कार्बन बयान व्यवहार दिखाने की तुलना करके, उनके प्रतिरोध क्षमताओं को बेहतर मूल्यांकन किया जा सकता है.
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Disclosures
ब्याज की कोई संघर्ष की घोषणा की.
Acknowledgments
यह काम HeteroFoaM केंद्र, एक ऊर्जा फ्रंटियर अनुसंधान अमेरिका के ऊर्जा विभाग, विज्ञान के कार्यालय, पुरस्कार संख्या डे SC0001061 के तहत मूल ऊर्जा विज्ञान के कार्यालय (BES) द्वारा वित्त पोषित केंद्र द्वारा समर्थित किया गया.
Materials
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Nickel mesh | Alfa Aesar | CAS: 7440-02-0 | |
Ni Foil | Alfa Aesar | CAS: 7440-02-0 | |
YSZ powder | TOSOH | Lot No:S800888B | |
Ag paste | Heraeus | C8710 | |
Barium oxide | Sigma-Aldrich | 1304-28-5 | |
Silver wire | Alfa Aesar | 7440-22-4 | |
Acetone | VWR | 67-64-1 | |
Ethanol | Alfa Aesar | 64-17-5 | |
UHP H2 | Airgas | 99.999% purity | |
100 ppm H2S/H2 | Airgas | Certified custom mix | |
n-type Si AFM tip | MikroMasch | NSC16 | 10 nm tip radius |
Au coated AFM tip | MikroMasch | CSC11/Au/Cr | 20-30 nm tip radius |
Raman Spectrometer | Renishaw | RM1000 | |
Ar Ion laser | ModuLaser | StellarPro 150 | |
He-Ne laser | Thorlabs | HPL170 | |
Atomic Force Microscope | Veeco | Nanoscope IIIA | |
Moving Raman Stage | Prior Scientific | H101RNSW | |
Optical Microscope | Leica | DMLM | |
Scanning Electron Microscope | LEO | 1550 | |
Tube Furnace | Applied Test Systems | 2110 | |
Polisher | Allied High Tech Products | MetPrep | |
6 μm Grinding media | Allied High Tech Products | 50-50040M | |
3 μm Polishing media | Allied High Tech Products | 90-30020 | |
1 μm Polishing media | Allied High Tech Products | 90-30015 | |
0.1 μm Polishing media | Allied High Tech Products | 90-32000 | |
Raman chamber | Harrick Scientific | HTRC |
References
- Minh, N. Q. Solid oxide fuel cell technology-features and applications. Solid State Ionics. 174 (1-4), 271 (2004).
- Liu, M., Lynch, M. E., Blinn, K., Alamgir, F., Choi, Y. Rational SOFC material design: new advances and tools. Materials today. 14 (11), 534 (2011).
- Zhan, Z. L., Barnett, S. A. An octane-fueled solid oxide fuel cell. Science. 308, 844 (2005).
- Huang, Y. H., Dass, R. I., Xing, Z. L., Goodenough, J. B. Double perovskites as anode materials for solid oxide fuel cells. Science. 312, 254 (2006).
- Yang, L., Wang, S., Blinn, K., Liu, M., Liu, Z., Cheng, Z., Liu, M. Enhanced Sulfur and Coking Tolerance of a Mixed Ion Conductor for SOFCs: BaZr0.1Ce0.7Y0.2-xYbxO3-d. Science. 326, 126 (2009).
- Liu, M. F., Choi, Y. M., Yang, L., Blinn, K., Qin, W., Liu, P., Liu, M. L. Direct octane fuel cells: A promising power for transportation. Nano Energy. 1, 448 (2012).
- Cheng, Z., Wang, J. -H., Choi, Y. M., Yang, L., Lin, M. C., Liu, M. From Ni-YSZ to sulfur-tolerant anodes for SOFCs: electrochemical behavior, in situ characterization, modeling, and future perspectives. Energy & Environmental Science. 4 (11), 4380 (2011).
- Blinn, K. S., Abernathy, H. W., Li, X., Liu, M. F., Liu, M. Raman spectroscopic monitoring of carbon deposition on hydrocarbon-fed solid oxide fuel cell anodes. Energy & Environmental Science. 5, 7913 (2012).
- Abernathy, H. W. Investigations of Gas/Electrode Interactions in Solid Oxide Fuel Cells Using Vibrational Spectroscopy [dissertation]. , Georgia Institute of Technology. (2008).
- Pomfret, M. B., Owrutsky, J. C., Walker, R. A. High-temperature Raman spectroscopy of solid oxide fuel cell materials and processes. Journal of Physical Chemistry B. 110 (35), 17305 (2006).
- Cheng, Z., Liu, M. Characterization of sulfur poisoning of Ni-YSZ anodes for solid oxide fuel cells using in situ Raman microspectroscopy. Solid State Ionics. 178 (13-14), 925 (2007).
- Li, X., Blinn, K., Fang, Y., Liu, M., Mahmoud, M. A., Cheng, S., Bottomley, L. A., El-Sayed, M., Liu, M. Application of surface enhanced Raman spectroscopy to the study of SOFC electrode surfaces. Physical Chemistry Chemical Physics. 14, 5919 (2012).
- Dresselhaus, M. S., Jorio, A., Hofmann, M., Dresselhaus, G., Saito, R. Perspectives on Carbon Nanotubes and Graphene Raman Spectroscopy. Nano Letters. 10, 751 (2010).
- Su, C., Ran, R., Wang, W., Shao, Z. P. Coke formation and performance of an intermediate-temperature solid oxide fuel cell operating on dimethyl ether fuel. Journal of Power Sources. 196, 1967 (2011).
- Cheng, Z., Abernathy, H., Raman Liu, M. Spectroscopy of Nickel Sulfide Ni3S2. Journal of Physical Chemistry C. 111 (49), 17997 (2007).
- Yang, L., Choi, Y., Qin, W., Chen, H., Blinn, K., Liu, M., Liu, P., Bai, J., Tyson, T. A., Liu, M. Promotion of water-mediated carbon removal bynanostructured barium oxide/nickel interfaces in solid oxide fuel cells. Nature Communications. 2, 357 (2011).
- Kumar, A., Ciucci, F., Morzovska, A., Kalinin, S., Jesse, S. Measuring oxygen reduction/evolution reactions on the nanoscale. Nature Chemistry. 3, 707 (2011).
- Kumar, A., Arruda, T. M., Kim, Y., Ivanov, I. N., Jesse, S., Bark, C. W., Bristowe, N. C., Artacho, E., Littlewood, P. B., Eom, C. B., Kalinin, S. V. Probing Surface and Bulk Electrochemical Processes on the LaAlO3-SrTiO3 Interface. ACS Nano. 6 (5), 3841 (2012).
- Katsiev, K., Yildiz, B., Balasubramaniam, K., Salvador, P. A. Electron Tunneling Characteristics on La0.7Sr0.3MnO3 Thin-Film Surfaces at High Temperature. Applied Physics Letters. 95 (9), 092106 (2009).
- Jesse, S., Kumar, A., Arruda, T. M., Kim, Y., Kalinin, S. V., Ciucci, F. Electrochemical strain microscopy: Probing ionic and electrochemical phenomena in solids at the nanometer level. MRS Bulletin. 37 (7), 651-65 (2012).
- Datta, S. S., Strachan, D. R., Mele, E. J., Johnson, A. T. Surface Layers and Layer Charge Distributions in Few-Layer Graphene Films. Nano Letters. 9, 7 (2009).
- Coffey, D. C., Ginger, D. S. Time-resolved electrostatic force microscopy of polymer solar cells. Nature Materials. 5 (9), 735 (2006).
- Nakamura, M., Yamada, H. Roadmap of Scanning Probe Microscopy. Morita, S. , Springer. Berlin. (2007).
- Girard, P. Electrostatic force microscopy: principles and some applications to semiconductors. Nanotechnology. 12, 485 (2001).
- Rasmussen, J. F. B., Hagen, A. The effect of H2S on the performance of Ni-YSZ anodes in solid oxide fuel cells. Journal of Power Sources. 191 (2), 534 (2009).
- Zha, S. W., Cheng, Z., Liu, M. L. Sulfur poisoning and regeneration of Ni-based anodes in solid oxide fuel cells. Journal of The Electrochemical Society. 154 (2), B201 (2007).
- Liu, M. F., Ding, D., Blinn, K., Li, X., Nie, L., Liu, M. L. Enhanced performance of LSCF cathode through surface modification. International Journal of Hydrogen Energy. 37 (10), 8613 (2012).
- Park, H., Li, X., Blinn, K. S., Liu, M., Lai, S., Bottomley, L. A., Liu, M., Park, S. Probing coking resistance from nanoscale: a study of patterned BaO nanorings over nickel surface. , In preparation (2012).