Summary
We presenteren een uniek platform voor het karakteriseren van elektrode oppervlakken in vaste oxide brandstofcel (SOFC) die gelijktijdig uitvoeren van meerdere karakterisatietechnieken (laat
Abstract
Vaste oxide brandstofcel (SOFC) in potentie de meest efficiënte en kosteneffectieve oplossing voor het gebruik van een grote verscheidenheid aan brandstoffen dan waterstof 1-7. De prestaties van SOFCs en de tarieven van de vele chemische en energie transformatieprocessen in energie-opslag en-omzetting in het algemeen beperkt zijn in de eerste plaats door de lading en massa-overdracht langs elektrode oppervlakken en over interfaces. Helaas is de mechanistische begrip van deze processen nog onvoldoende, voornamelijk als gevolg van de moeilijkheid karakteriseren deze processen onder in situ-omstandigheden. Deze kennis kloof is een hoofd obstakel voor SOFC commercialisering. De ontwikkeling van instrumenten voor het sonderen en het in kaart brengen oppervlakchemie die relevant zijn voor elektrode reacties is van vitaal belang voor het ontrafelen van de mechanismen van het oppervlak processen en tot het bereiken van rationeel ontwerp van nieuwe elektrodematerialen voor een efficiëntere energie-opslag en conversie 2. Onder de relatief weinig in situ </ Em> oppervlakte-analyse methoden, kan Raman spectroscopie worden uitgevoerd, zelfs met hoge temperaturen en agressieve atmosfeer, waardoor het ideaal is voor het karakteriseren van chemische processen die relevant zijn voor SOFC anode prestaties en degradatie 8-12. Het kan ook gebruikt worden naast elektrochemische metingen, waardoor potentieel directe correlatie van elektrochemie aan Chemie Oppervlakte in een operatiekamer cel. Juiste in situ Raman mapping metingen zou nuttig zijn voor pin-wijzend belangrijk anode reactiemechanismen vanwege zijn gevoeligheid voor de betrokken soorten, met inbegrip van anode prestatievermindering door koolstofafzetting 8, 10, 13, 14 ("cokes") en zwavelvergiftiging 11, 15 en de wijze waarop oppervlakmodificaties wenden deze degradatie 16. De huidige werk toont aanzienlijke vooruitgang in de richting van deze mogelijkheid. Bovendien, de familie van scanning probe microscopie (SPM) technieken biedt een speciale benadering van de electro ondervragende oppervlakte met nanoschaal resolutie. Naast de oppervlaktetopografie die routinematig wordt verzameld door AFM en STM, kunnen andere eigenschappen zoals lokale elektronische toestanden, ion diffusiecoëfficiënt en oppervlaktepotentiaal worden onderzocht 17-22. In dit werk werden elektrochemische metingen, Raman spectroscopie, en SPM gebruikt in combinatie met een nieuwe testelektrode platform dat bestaat uit een Ni gaaselektrode ingebed in een yttriumoxide-gestabiliseerd zirkoniumoxide (YSZ) elektrolyt. Celprestatie testen en impedantie spectroscopie onder brandstof met H2S werd gekarakteriseerd en Raman mapping werd gebruikt om verder ophelderen van de aard van zwavelvergiftiging. In situ Raman controle werd gebruikt om cokesvorming gedrag. Tenslotte atomic force microscopie (AFM) en elektrostatische kracht microscopie (EFM) werden gebruikt om koolstofafzetting verder visualiseren op nanoschaal. Uit dit onderzoek, we verlangen naar een vollediger beeld van de SOFC anode produceren.
Protocol
1. Fabricage van een YSZ-embedded Mesh Anode Cell
- Weeg twee partijen van 0,2 g YSZ poeder.
- Comprimeren een batch YSZ poeder in een cilindrische roestvrij stalen mal (13 mm in diameter) met een uniaxiale droge pers bij een druk van 50 MPa gedurende 30 sec.
- Snij een <1 cm stuk Ni mesh en deze op het oppervlak van YSZ disc in de mal.
- Voeg de andere 0,2 g poeder YSZ bovenop de Ni-mesh in de mal en plat het oppervlak van het poeder met behulp van een ram.
- Uniaxiaal op de Ni mesh ingeklemd tussen pakketten van YSZ poeder bij een druk van 300 MPa gedurende 30 sec.
- Pak de geperste Ni / YSZ pellet uit de mal.
- Vuur de pellet bij 1440 ° C gedurende 5 uur in een zirconia kroes een horizontale buisoven met een stromend reducerend gas atmosfeer (4% H 2 / bal. Ar).
2. Belichting, polijsten, en wijziging van Ni gaaselektrode
- Monteurbondgenoot worden geslepen een zijde van het gesinterde YSZ monster met 6 micrometer diamantgrit tot Ni zeefoppervlak wordt geopenbaard.
- Verder polijsten het blootgestelde Ni zeefoppervlak met 3 urn, 1 urn en 0,1 urn diamant media in een water / ethyleen glycol suspensie gedurende 1 min bij elke polijststap.
- Ultrasoon reinigen gepolijst monster in aceton, ethanol en DI water gedurende 10 min. elk.
- Droog het monster onder een schone perslucht stroom.
- Voor Ni mesh met een verhoogde cokesvorming weerstand brand het monster bij 1200 ° C gedurende 2 uur in reducerende atmosfeer in de aanwezigheid van, maar niet in contact met BaO poeder.
3. Voorbereiding en Elektrochemische testen van Full cellen
- Brush-verf Ag pasta op het tegenovergelegen oppervlak van de YSZ monster uit de Ni-mesh om als tegenelektrode.
- Bevestig een opgerolde Ag draad aan de tegenelektrode met Ag pasta.
- Na drogen van de pasta op de Ag sample bij 120 ° C in een oven gedurende 30 min, sluit een 0,2-mm diameter Ag draad op de Ni-mesh met Ag pasta op de tip.
- Droog het monster opnieuw bij 120 ° C in een oven gedurende 30 minuten.
- Dicht de cel (Ni mesh naar beneden) op de top van een 3/8 inch keramische cel armatuur buis met behulp van Aremco Seal 552 (Ceramabond).
- Laat de kit aan de lucht gedurende 2-4 uur.
- Verbinding twee geïsoleerde draden zilver beide elektrodedraden.
- Monteer de cel armatuur in een buisoven, sluit u de armatuur op een gasleiding, en bevestig de draden om de juiste elektrochemische testapparatuur.
- Beginnen stromende ultrazuivere kwaliteit (99,999%) H2 gas door de cel inrichting met een snelheid van 50 sccm, de gas worden geleid door water op kamertemperatuur de gas bevochtigen tot 3% vol. H 2 O voorafgaand aan het invoeren van de cel armatuur.
- Verwarm de oven met de gemonteerde cel 100 ° C gedurende 2 uur, gevolgd door 260 ° C gedurende 1 uur en tenslotte 800 ° Ceen ramping snelheid van 1 ° C onder continu stromende H2 bij alle verwarming tot oxidatie van de Ni electrode te voorkomen. De eerste twee verwarmings-stappen zijn voor de genezing van de Ceramabond.
- Houd de cel in de oven bij 800 ° C gedurende 2 uur om de Ag tegenelektrode laten sinter.
- Koel de cel licht tot 767 ° C voor elektrochemische verrichtingsonderzoek.
- Na het testen, verwijder voorzichtig de cel armatuur uit de oven voor afkoeling bij kamertemperatuur terwijl zij bevochtigde H 2 stromen. (LET OP: Gebruik de juiste beschermingsmiddelen voor het hanteren van extreem hete keramiek, zoals thermische handschoenen en matten)
- Maak de cel van de armatuur voor post-karakterisering door het losmaken van de elektrode draden en zorgvuldig scheiden van de cel van de Ceramabond kit.
* Figuur 1 toont een schema van de YSZ-embedded Ni mesh cel, samen met een typische foto en optische microfoto van het ingeslotenmesh.
* Voor onze onderzoekingen werden cellen elektrochemisch gekarakteriseerd met een EG & G PAR potentiostaat (model 273A) gekoppeld aan een Solartron 1255 frequentieresponsie-analysator HF met CorrWare en ZPlot software (Scribner and Associates). Lineaire sweep voltametrie en constante spanning amperometrie werden gebruikt om celprestatie karakteriseren en impedantie spectra werden verkregen in het frequentiebereik van 100 kHz tot 0,1 Hz met een amplitude van 10 mV. Voor de zwavelvergiftiging studie werd een gecertificeerd gasmengsel van 100 ppm H2S in H2 gemengd in de brandstof gasstroom met pure H2 tot 20 ppm H 2 S / H 2 mengsel.
4. Post-test Raman Spectromicroscopic Mapping
- Bevestig de cel monster met het gaas anode naar boven op de Raman microscoop podium plaat met lijm of plakband om te proeven het bewegen tijdens het Raman analyse.
- Gebruik de microscoop en XYZ stadiumvinden een interface grens tussen de Ni gaas en YSZ substraat.
- Breng de laser in beeld uit door de microscoop filters en fijn instellen van de Z-coördinaat van het podium.
- Stel de Raman spectrometer spectra verkregen op de knooppunten van een rechthoekige mazen die over het gebied van de interface 2 urn intervallen scheiden van de knooppunten. De spectra worden rond het golfgetal (s) voor de Raman mode (s) van de soort of fase (s) plaats. In dit geval is 980 cm -1 gekozen SO x.
- Voor elke spectra, de integratie van de intensiteit over de Raman-modus (en) van belang en verdeel de intensiteit door een vlakke basislijn met hetzelfde spectrum. De relatieve intensiteit kan vervolgens worden uitgezet in een contour / kleur kaart ten opzichte van zijn coördinaten.
Raman spectromicroscopy werd uitgevoerd met een Renishaw RM1000 systeem uitgerust met een Modu-Laser StellarPro 514 nm Ar-ion laser (5 mW) en een Thorlabs HRP170 633 nm He-Ne laser (17 mW). Het systeem is uitgerust met een gemotoriseerde fase XYZ (Prior Scientific H101RNSW) en een 50X objectief lens, die samen zorgen voor ~ 2 pm mapping resolutie. Renishaw draad 2.0-software werd gebruikt in combinatie met de hardware. De gegevens werden verwerkt met behulp van MATLAB (MathWorks).
5. In situ Raman Monitoring van Coking 8
- Sluit een YSZ-embedded Ni mesh monster naar de Raman kamer stadium met behulp van Ag pasta met het gaas naar boven.
- Verwarm de open kamer tot 300 ° C gedurende 1 uur te drogen en verwijderen van de Ag-pasta suspensiemedium.
- Dicht de Raman kamer van de dop en plak het op het Raman microscoop podium. Gebruik de microscoop om een Ni / YSZ-interface te lokaliseren, zoals beschreven in protocol 4.2.
- Begin vloeiende 4% H 2 / Ar-gas bevochtigd door water bubbler door de kamer op ~ 100 sccm.
- Verwarm de Raman kamer tot 625 ° C.
- Breng de laser in beelden het verzamelen van de basislijn Raman scans van vlekken op de Ni gaas en YSZ substraat in de 150-2000 cm-1 serie.
- Introduceren 3-5% C 3 H 8 in de gasstroom en het verzamelen Raman spectra van Ni regelmatig terwijl het gas stroomt naar de afzetting van koolstof op het oppervlak waarnemen tijd (bijv. 15 uur).
- Koel het monster langzaam (5 ° C / min) in stromende 4% H2 / Ar.
* De in situ Raman analyse werd uitgevoerd met een speciaal gemodificeerd Harrick Scientific hoge temperatuur reactie chamber.The kamer is uitgerust met een kwartsvenster cap, gasaansluitingen en een koelleiding. Een schematische en foto wordt in figuur 2.
WAARSCHUWING: Cooling water moet worden gebruikt om de optische microscoop beschermen het Raman systeem van verwarming!
6. Nanoschaal Visualisatie van Coking door AFM en EFM
- Pools een zijde van een 1 cm x 1 mm vierkante nikkel coupon tot de rang van 0,1 urn zoals beschreven in protocol 2.2.
- In een kwartsbuis beklede oven bloot gepolijst nikkel coupon aan stromend gas dat 10% C 3 H 8 evenwicht gehouden door Ar bij 550 ° C gedurende 1 min, het gas worden geleid door water op kamertemperatuur de gas bevochtigen tot 3 % vol. H 2 O voorafgaand aan het invoeren van de kwartsbuis.
- Verwijder het monster uit de oven. Controleer de oppervlaktemorfologie door optische microscopie en SEM.
- Monteer het monster op een metalen puck met behulp van koperen geleidende tape voor AFM en EFM studie.
- Verzamel een morfologie afbeelding met behulp van AFM in tapping mode.
- Installeer een n-type Si gebaseerde AFM tip (NSC16) of een geleidende tip AFM (CSC11/Cr-Au) op de elektrische houder (MMEFCH).
- Scan de steekproef oppervlak in "Lift Mode", waarbij de punt eerst de topografische informatie verzamelt over zijn eerste reis over het monster oppervlak en then voelt de fasehoek op zijn tweede reis voor elektrostatische kracht informatie. Stel de hefhoogte aanvankelijk 100 nm, en geleidelijk af tot ongeveer dezelfde waarde van de oppervlakteruwheid (20-30 nm).
- Aan de andere kant een duidelijke interface tussen de verkookste en schone omgeving van nikkel oppervlak, het verzamelen van een reeks van EFM linescans tijdens het verwisselen van het monster bias.
- Door vergelijking van de EFM linescans op verschillende potentialen sample voorspanning, identificeren de spanning waarbij de fasehoek contrast klapt 21.
- Verzamel een afbeelding met een monster vooroordeel dat is 1-2V negatieve tov het schakelpunt, en een ander beeld met sample bias die is 1-2V positieve tov het schakelpunt.
- Door vergelijking van de topografie beeld en de twee sets EFM beelden op verschillende sample vooroordelen aanschaffen distributie kaart van koolstof en nikkel fase van het monster. * Voor onze SPM analyses werd een Veeco NanoScope IIIA-systeem gebruikt. Een schema van de werking van het EFM analyse23, 24 is weergegeven in figuur 3.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Zwavel Vergiftiging Analyse
Figuur 4 zijn typisch IV en IP curves van een cel met een Ni gaaselektrode onder H2 en 20 ppm H 2 S staat. Het is duidelijk dat de introductie van zelfs maar een paar ppm H 2 S vergiftigen de Ni-YSZ anode en leiden tot aanzienlijke vermindering van de prestaties.
Om intensiever de vergiftiging gedrag van de Ni-YSZ anode begrijpen, werd AC impedantiespectroscopie van de cel uitgevoerd onder open circuit voltage (OCV) omstandigheden. Figuur 5 zijn de Nyquist plots voor de cel voor en na de anode blootgesteld aan brandstoffen met 0 en 20 ppm H2S op 767 ° C. Twee elektroden impedantie werd gebruikt in dit onderzoek, aangezien de cel impedantie wordt gedomineerd door die van de werkelektrode, een referentie-elektrode is daarom niet nodig. De impedantiespectra blijkt dat het grootste weerstand gebleven while het grensvlak weerstand sterk toe na de anode is blootgesteld aan H 2 S-bevattende brandstof.
Figuur 6 is de typische vergiftiging en herstel gedrag van de cel op 767 ° C onder 20 ppm H2S Zowel de vergiftiging en herstelprocessen lijken te voltooien en steady state te bereiken binnen een paar minuten, dat is heel verschillend gedrag van dikke Ni-YSZ anodes die eerder bestudeerd, waarbij een veel langere termijn nodig was speciaal voor het herstelproces 25, 26.
Raman intensiteit mapping werd gebruikt om meer chemische informatie over het elektrodeoppervlak interageert met zwavel in brandstof gas krijgen. Figuur 7 toont een optische microfoto van het Ni / YSZ interface en een Raman kaart van hetzelfde gebied uitzetten van de intensiteit van een verbonden modus met SO x soorten (geïntegreerde intensiteit tussen 960-1.000 cm -1). De soorten waren Exclusively waargenomen op het oppervlak Ni en werden in het algemeen meer van het TPBS geconcentreerd.
In situ Raman analyse van Coking op YSZ-embedded Ni Mesh
Figuur 8a toont een optische microfoto van een ongemodificeerde Ni gaaselektrode bij 625 ° C in reducerende atmosfeer (Ni ongewenste oxidatie te voorkomen) direct vóór de invoering van C 3 H 8. Na C 3 H 8 begon stroomt in de kamer, werden spectra periodiek vanuit een plek op het oppervlak van een monster van Ni mesh. Deze spot wordt gekenmerkt door de groene cirkel in figuur 8b, die de mazen toont na 15 uur nat C 3 H 8 blootstelling bij 625 ° C. Carbon is alleen detecteerbaar op het zeefoppervlak Ni, het spectrum vanuit het substraat (rood vierkant) geeft alleen YSZ kenmerken (figuur 8c). Een perceel van de verandering in de relatieve koolstof intensiteit van het signaal gedurende de eerste paar uur van exposure tijd is weergegeven in figuur 8d. De intensiteit van het signaal verhoogd carbon carbon opgebouwd op het oppervlak van de Ni van cokes. De hoeveelheid detecteerbaar koolstof signaal uiteindelijk afgevlakt na een paar uur. Een Ni mesh monster gemodificeerd door BaO zoals beschreven in protocol 2,5 werd onderworpen aan dezelfde proefomstandigheden. Een microfoto van Raman spectra en vanuit het oppervlak van de gewijzigde mesh monster op dezelfde 15 uur blootstelling merk als 8b/8c figuren zijn weergegeven in figuur 8e en 8f Figuur respectievelijk. Carbon signaal was niet detecteerbaar zelfs de Ni oppervlak in dit geval.
SPM Analyse van Coking op Ni
Inhomogene donkere vlekken gevormd op het oppervlak van de Ni coupon nadat het werd blootgesteld aan C 3 H 8-bevattend gas, die in de SEM beelden afgebeeld in figuur 9. Figuur 10 zijn AFM / EFM beelden taken van beide lichte en donkere gebieden.
Figuur 1. Schematische weergave van de Ni-patroon elektrode cel fabricage en karakterisering 27.
Figuur 2. Schema van klimaatkamer opstelling voor in situ Raman analyse (links) samen met een foto van de kamer (rechts). De gele buizen in de fotografie worden koelwaterlijnen die niet afgebeeld in het schema aan de linkerkant.
Figuur 3. Schema van het werkingsprincipe van elektrostatische kracht microscopie (EFM). (A) De schematische weergave van vooringenomenheid eenpplied op het monster. (B) De fasehoek verschuiving van de AFM tip perceel ten opzichte van de trillingsfrequentie; sterke elektrostatische interactie aangaat groter ontvetten in de fasehoek. (C) Het schema elektron energie band diagram van het monster (nikkel en koolstof) en nog veel meer wanneer het monster wordt vertekend positief tov de tip en (D) wanneer het monster wordt vertekend negatief tov de punt 28.
Figuur 4. Kenmerkende werking van de cel die onder pure H 2 en H 2 20 ppm H2S op 767 ° C 27.
Figuur 5. Impedantiespectra van de cel met zuiver H 2 en H 2 20 ppm H2S als brandstof gemeten op 767 ° C under nullastspanning 27.
Figuur 6. Typische (A) vergiftiging en (B) terugwinning gedrag van de cel in H 2 20 ppm H2S op 767 ° C bediend 0.75V 27.
Figuur 7. Optische microfoto van hoek van gevormde Ni gaaselektrode in YSZ die is gebruikt in H 2 S-bevattende brandstof en gerijpt in lucht gedurende 18 dagen (links) samen met een Raman map van de SO x band in hetzelfde gebied (rechts ) 27.
Figuur 8. (A) Optische micrograaf van Ni mesh ingebed in YSZ.(B) Dezelfde ingesloten Ni mesh na blootstelling aan C 3 H 8-bevattend gas bij 625 ° C gedurende 15 uur. (C) Raman spectra verzameld in situ van de plaatsen aangeduid in (b) op de 15-uur merk C 3 H 8-bevattend gas blootstelling. (d) Plot van verandering in signaalintensiteit carbon Raman verzameld tijd van groene cirkel plek op Ni mesh aangegeven in (b). (e) optische microfoto buurt interface BaO gemodificeerde Ni mesh en YSZ in dezelfde C 3 H 8 behandeling. (f) Raman spectra verzameld in situ op de 15 uur score plaatsen aangeduid in (e). (Bron: 8). Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken .
Figuur 9.SEM beelden van vercookste Ni met de morfologische verschillen veroorzaakt door inhomogene verkooksing.
Figuur 10. (A) AFM afbeelding van het licht, figuur 9 en (B) EFM beeld van hetzelfde gebied. (C) AFM afbeelding van het donkere gebied getoond in figuur 10 en (D) EFM beeld van hetzelfde gebied. Het monster werd voorgespannen om-1V met betrekking tot de AFM tip, en waardoor een lichtere kleur (zwakkere tip-sample wisselwerking) aan het gebied bedekt met koolstof.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Zwavel Vergiftiging Analyse
De impedantiespectra figuur 5 blijkt dat zwavelvergiftiging een oppervlak of interface-fenomeen niet een die de bulk van het materiaal beïnvloedt. Bepaald zou de snelle vergiftiging van de Ni gaaselektrode (Figuur 6) als gevolg van de directe blootstelling van Ni elektrode brandstof gas en daaropvolgende adsorptie zwavel; gasdiffusie niet beperken de snelheid van dit proces zo veel als in het geval van een dikke poreuze Ni / YSZ anode. Sterk geadsorbeerd zwavel bij of nabij de drievoudige fasegrens (TPB) tussen Ni, YSZ, en brandstof waarschijnlijk blokkeren actieve plaatsen voor elektrochemische oxidatie van H2 bij de TPB, waardoor snel prestatieverlies. Anderzijds, tijdens het herstelproces kan de stroom door de cel helpen de elektrochemische oxidatie van het zwavel geadsorbeerd op anode oppervlak SO 2, met name op of nabij de TPB. Opce zwavel geoxideerd tot SO 2, zal het snel desorberen van anodeoppervlak, leidt tot het opnieuw blootstelling van de Ni / YSZ interface naar de gasfase (regeneratie van TPBS) en nagenoeg volledig herstel van de prestaties 26. Is echter mogelijk dat de huidige niet efficiënt genoeg om volledig te verwijderen van de geadsorbeerde zwavel ver weg van de TPB regio's, die aan de oppervlakte blijven, zelfs na volledig herstel van de voorstelling. Deze mogelijkheid werd onderzocht door de elektrode veroudering in lucht SO x groepen die kunnen worden gedetecteerd door Raman spectroscopie (figuur 7). De Raman mapping bevindingen ondersteunen deze hypothese. Bovendien kon geen andere Ni-S fasen worden gedetecteerd door Raman spectroscopie, waarbij het idee dat de vergiftiging proces bij de bestudeerde temperatuur niet nieuw bulk sulfide fasevorming betrokken ondersteunt.
In situ Raman analyse van Coking op YSZ-embedded Ni Mesh
De resultaten geven c Ramanlear bewijs dat cokesvorming voorkeur optreedt op de oppervlakken wanneer een Ni Ni-YSZ anode wordt gewerkt onder een koolwaterstofbrandstof. Deze voorkeur voor Ni voor koolstofafzetting wordt waarschijnlijk veroorzaakt door hogere katalytische activiteit Ni voor deze reactie over YSZ. Anderzijds werd koolstofafzetting blijkbaar afgewend aanzienlijk door BaO modificatie. De modificatie behandelen vergelijkbaar is met die in het werk van Yang et al.. 16, waaruit bleek dat BaO nanodeeltjes op het oppervlak Ni wenden cokesvorming in de aanwezigheid van water. Het huidige werk ondersteunt deze bevindingen.
SPM Analyse van Coking op Ni
SEM analyse onthulde gedetailleerde vorm en morfologie van de verschillende mate van afzetting van koolstof (Figuur 9). De donkere vlekken waren waarschijnlijk gebieden van zwaardere koolstofafzetting. Elektrostatische kracht microscopie (EFM) werd gebruikt in combinatie met AFM bevestigen thi helpens en kaart van de koolstof afzetting op nanoschaal (<25 nm resolutie). Terwijl AFM kan onderscheiden vormvariatie na koolwaterstof behandeling EFM gelijktijdig meters de oppervlaktepotentiaal waardoor het oppervlak fasen worden geïdentificeerd (Figuur 3). Wanneer het monster positief of negatief voorgespannen ten opzichte van de tip, de regio met lagere of hogere oppervlaktepotentiaal (E vac-E f) respectievelijk zal maken sterkere interactie met de tip. Aangezien nikkel en koolstof, die de twee soorten die in het monster, elk een verschillend oppervlak potentieel, EFM kan scheiden. Bij ons onderzoek werd het monster voorgespannen om -1 V ten opzichte van de tip, dus koolstof had zwakker interactie met de tip. Zoals getoond in figuur 10, het lichte gebied hadden minder ruwheid qua topografie en een paar spots geassocieerd met carbon weergegeven in de EFM beeld bevestigt very lichte koolstof afzetting. Ondertussen het geïnspecteerde donkere gebied heeft een grote hoeveelheid van oppervlakteruwheid en de meerderheid van het oppervlak is bedekt met species met zwakke interactie met de tip, waarin veel zwaarder verkooksing.
Nanoschaal soorten in kaart te brengen op basis van EFM is een veelbelovende aanpak om de impact van nano-sized katalysatoren aangebracht op het materiaal te bestuderen. Bijvoorbeeld door toepassing BaO op het nikkeloppervlak de densiteit en morfologie van cokes pleisters drastisch. Door vergelijking van de EFM beelden die de lokale koolstofafzetting vertonen voor verschillende katalysatoren, kunnen hun resistentie capaciteiten beter worden geëvalueerd.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Geen belangenconflicten verklaard.
Acknowledgments
Dit werk werd ondersteund door de HeteroFoaM Center, een Energy Frontier Research Center gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie, Office of Science, Bureau van Basic Energy Sciences (BES) in het kader Award Aantal DE-SC0001061.
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).
