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Engineering

Exploration et cartographie des surfaces d'électrodes en piles à oxyde solide

Published: September 20, 2012 doi: 10.3791/50161
Automatic Translation
1, 1, 1, 2, 1
1Center for Innovative Fuel Cells and Battery Technologies, School of Materials Science and Engineering, Georgia Institute of Technology, 2School of Chemistry and Biochemistry, Georgia Institute of Technology

Summary

Nous présentons une plate-forme unique pour caractériser les surfaces d'électrodes dans les piles à combustible à oxyde (SOFC) qui permet d'effectuer simultanément des techniques de caractérisation multiples (

Abstract

Piles à oxyde solide (SOFC) sont potentiellement la solution la plus efficace et rentable à l'utilisation d'une grande variété de combustibles au-delà de l'hydrogène 1-7. La performance des piles SOFC et les taux de nombreux produits chimiques et des procédés de transformation de l'énergie dans le stockage d'énergie et dispositifs de conversion en général sont principalement limitées par le transfert de masse et de charge le long des surfaces d'électrodes et à travers les interfaces. Malheureusement, la compréhension des mécanismes de ces processus sont encore insuffisantes, en raison principalement de la difficulté de caractériser ces processus dans des conditions in situ. Ce manque de connaissances est un obstacle majeur à la commercialisation SOFC. Le développement d'outils pour sonder et cartographier la chimie de surface pertinentes à des réactions d'électrodes est essentielle pour élucider les mécanismes des processus de surface et à la réalisation de la conception rationnelle de nouveaux matériaux d'électrodes pour le stockage d'énergie plus efficace et la conversion 2. Parmi les rares relativement in situ </ Em> Méthodes d'analyse de surface, la spectroscopie Raman peut être réalisée même avec des températures élevées et des ambiances difficiles, le rendant idéal pour la caractérisation des processus chimiques pertinents à la performance anode de SOFC et la dégradation 8-12. Il peut également être utilisé conjointement avec des mesures électrochimiques, permettant potentiellement corrélation directe de l'électrochimie à la chimie de surface dans une cellule d'exploitation. Une bonne cartographie des mesures in situ Raman serait utile pour les broches de pointage importants mécanismes réactionnels anode en raison de sa sensibilité aux espèces concernées, y compris la dégradation des performances anode à 8 dépôt de carbone, 10, 13, 14 («coke») et empoisonnement par le soufre 11, 15 et la manière dont les modifications de surface conjurer cette dégradation 16. Le travail actuel démontre des progrès significatifs vers cette capacité. En outre, la famille de la microscopie à sonde à balayage (SPM) fournit une approche des techniques spéciales pour interroger l'électrode la surface avec une résolution nanométrique. Outre la topographie de la surface qui sont systématiquement recueillis par l'AFM et STM, d'autres propriétés telles que locaux états électroniques, le coefficient de diffusion des ions et le potentiel de surface peut aussi être étudiée 17-22. Dans ce travail, des mesures électrochimiques, la spectroscopie Raman, et SPM a été utilisé en conjonction avec une plate-forme d'électrode nouveau test qui se compose d'une électrode à mailles Ni incorporé dans un oxyde d'yttrium-zirconium stabilisé (YSZ) d'électrolyte. Les essais de performance des cellules et la spectroscopie d'impédance dans de carburant contenant de l'H 2 S a été caractérisée, et la cartographie Raman a été utilisée pour élucider la nature du empoisonnement par le soufre. La surveillance Raman in situ a été utilisée pour étudier le comportement de cokéfaction. Enfin, la microscopie à force atomique (AFM) et microscopie à force électrostatique (EFM) ont été utilisés pour visualiser plus de dépôt de carbone à l'échelle nanométrique. De cette recherche, nous voulons produire une image plus complète de l'anode de SOFC.

Protocol

1. Fabrication d'une Cellule YSZ-embedded Mesh anode

  1. Peser deux lots de 0,2 g de poudre YSZ.
  2. Comprimer une poudre YSZ lot dans un moule cylindrique en acier inoxydable (13 mm de diamètre) d'une presse uniaxiale à sec sous une pression de 50 MPa pendant 30 sec.
  3. Coupez un <1 cm de morceau de Ni-filet et le placer sur la surface de YSZ disque à l'intérieur du moule.
  4. Ajouter l'autre 0,2 g de poudre de YSZ sur le dessus de la grille de Ni à l'intérieur du moule et aplanir la surface de la poudre à l'aide d'un poinçon.
  5. Uniaxialement appuyer sur la maille Ni prise en sandwich entre deux plaquettes de poudre YSZ, à une pression de 300 MPa pendant 30 sec.
  6. Extraire la pression Ni / YSZ culot du moule.
  7. Tirer le culot à 1440 ° C pendant 5 heures dans un creuset en zircone à l'aide d'un four tubulaire horizontal avec une atmosphère de gaz réducteur d'écoulement (4% H 2 / sym. Ar).

2. L'exposition, Polissage, et modification de l'électrode Ni Mesh

  1. Mécanicienallier broyer distance d'une face de l'échantillon fritté en utilisant YSZ 6 um particules de diamant jusqu'à ce que la surface à mailles Ni est révélé.
  2. En outre polir la surface exposée Ni maillage en utilisant 3 um, 1 um et 0,1 um dans les médias de diamants d'une suspension de l'eau glycolée / éthylène pendant environ 1 min à chaque étape de polissage.
  3. Ultrasons nettoyer l'échantillon poli dans de l'acétone, de l'éthanol et de l'eau DI chacune pendant 10 minutes.
  4. Sécher l'échantillon sous un courant d'air comprimé.
  5. Ni maille pour une résistance accrue à coke, tirer l'échantillon à 1.200 ° C pendant 2 heures dans une atmosphère réductrice en présence d', mais pas en contact avec, BaO poudre.

3. Préparation et test électrochimique de cellules complètes

  1. Brosse-peinture pâte Ag sur la surface opposée de l'échantillon de l'YSZ Ni-maille à agir en tant que contre-électrode.
  2. Attacher un fil enroulé Ag à la contre-électrode avec de la pâte d'Ag.
  3. Après séchage de la pâte Ag sur le sample à 120 ° C dans un four pendant 30 min, connectez un diamètre de 0,2 mm Ag fil au Ni-Ag maille avec de la pâte sur la pointe.
  4. Sécher à nouveau l'échantillon à 120 ° C dans un four pendant 30 min.
  5. Sceller la cellule (Ni maille vers le bas) sur un tube de 3/8 pouce cellule céramique appareil à l'aide Aremco Seal 552 (Ceramabond).
  6. Laisser prendre le mastic sécher à l'air pendant 2-4 heures.
  7. Relier deux fils d'argent isolés de chacun des deux fils d'électrode.
  8. Fixer le montage de cellules dans un four tubulaire, connectez l'appareil à une conduite de gaz, et attacher les fils équipement d'essai approprié électrochimique.
  9. Commencer à verser degré de pureté ultra-haute (99,999%) H 2 gazeux à travers la fixation de cellules à un taux de 50 sccm, le gaz doit être à barboter dans l'eau à température ambiante pour humidifier le gaz de 3% vol. H 2 O avant l'entrée dans le dispositif portable.
  10. Chauffer le four à la cellule montée à 100 ° C pendant 2 h, puis 260 ° C pendant 1 heure, puis enfin 800 ° Cà un taux de rampe de 1 ° C en poursuivant l'écoulement de H 2 pendant tout le chauffage pour éviter l'oxydation de l'électrode de Ni. Les deux premières étapes de chauffage sont de durcissement de la Ceramabond.
  11. Maintenir la cellule dans le four à 800 ° C pendant 2 heures pour permettre à la contre-électrode Ag de frittage.
  12. Refroidir la cellule légèrement à 767 ° C pour tester les performances électrochimiques.
  13. Après le test, retirez avec précaution l'appareil cellulaire du four de trempe à température ambiante tout en continuant à circuler humidifié H 2. (ATTENTION: Utilisez EPI approprié pour le traitement des céramiques très chauds tels que des gants thermiques et tapis)
  14. Détachez la cellule de l'appareil pour la post-qualification en détachant les fils électrodes et séparant soigneusement la cellule du mastic Ceramabond.

* Figure 1 présente un schéma de la cellule YSZ-embedded maille Ni, avec une photographie typique et micrographie optique de l'embarqués'engrener.

* Pour nos enquêtes, les cellules ont été électrochimique caractérisé par un potentiostat EG & G PAR (modèle 273A) couplé à un analyseur HF 1255 Solartron réponse en fréquence à l'aide CorrWare et Zplot logiciels (Scribner and Associates). Voltamétrie à balayage linéaire et à tension constante ampérométrie ont été utilisées pour caractériser les performances de cellules, et les spectres d'impédance ont été acquises dans la gamme de fréquences de 100 kHz à 0,1 Hz avec une amplitude de 10 mV. Pour l'étude empoisonnement au soufre, un mélange de gaz certifié de 100 ppm de H 2 S dans H 2 est mélangé dans le courant de gaz combustible pur avec H 2 pour obtenir un 20 ppm de H 2 S / H 2.

4. Post-test cartographie Raman Spectromicroscopic

  1. Collez l'échantillon de cellules avec l'anode en maille tournée vers le haut sur la plaque de platine du microscope Raman avec du ruban adhésif afin d'éviter ou de mouvement de l'échantillon pendant l'analyse Raman.
  2. Utilisez la platine du microscope et XYZlocaliser une limite d'interface entre le substrat en maille de Ni et YSZ.
  3. Mettre le laser en lumière par la commutation des filtres de microscope et un réglage fin de la coordonnée Z de la scène.
  4. Définir le spectromètre Raman pour obtenir des spectres à des noeuds d'un maillage rectangulaire recouvrant la zone de l'interface avec des intervalles de 2 um séparant les noeuds. Le spectre doit être centré autour du nombre d'onde (s) correspondant au mode de Raman (s) de l'espèce ou de phase (s) d'intérêt. Dans ce cas, 980 cm -1 est choisie pour x SO.
  5. Pour chaque spectre, intégrer l'intensité Raman dans le mode (s) d'intérêt et l'intensité de la diviser par une ligne de base plat avec le même spectre. L'intensité relative peut ensuite être représentées dans un plan de contour / couleur par rapport à ses coordonnées.

Raman spectromicroscopie a été réalisée en utilisant une Renishaw RM1000 équipé d'un système Modu-Laser 514 nm StellarPro Ar-ion laser (5 mW) et un Thorlabs HRP170 633 nm laser He-Ne (17 mW). Le système est équipé d'un étage motorisé XYZ (H101RNSW Avant scientifique) et une lentille d'objectif 50X, qui, ensemble, permettent de résolution cartographique ~ 2 um. Renishaw fil 2.0 du logiciel a été utilisé en conjonction avec le matériel. Les données ont été traitées à l'aide de MATLAB (The MathWorks).

5. Surveillance En Raman in situ de la coke 8

  1. Fixez un échantillon YSZ-embedded maille Ni le stade chambre Raman avec de la pâte Ag avec le maillage vers le haut.
  2. Chauffer la chambre ouverte à 300 ° C pendant 1 heure pour sécher et éliminer le milieu de suspension Ag pâte.
  3. Joint du bouchon de la chambre de Raman et l'apposer sur la platine du microscope Raman. Utilisez le microscope pour localiser une interface Ni / YSZ comme décrit dans le protocole 4.2.
  4. Commencer s'écoulant 4% H 2 / Ar gaz humidifié par barbotage de l'eau à travers la chambre à ~ 100 sccm.
  5. Chauffer la chambre de Raman à 625 ° C.
  6. Apportez le laser dans le foyeret de recueillir les analyses de base Raman de taches sur la maille Ni et YSZ substrat dans la gamme 150-2000 cm -1.
  7. Introduire 3-5% C 3 H 8 dans le flux de gaz et de recueillir des spectres de Raman de la Ni à intervalles réguliers tandis que le gaz s'écoule à observer le dépôt de carbone sur la surface au cours du temps (par exemple 15 heures).
  8. Refroidir l'échantillon lentement (5 ° C / min) dans un courant de 4% H 2 / Ar.

* L'analyse Raman in situ en a été réalisée avec une coutume modifié Harrick scientifique de haute température de réaction chamber.The chambre est équipée d'un capuchon fenêtre de quartz, raccordements de gaz, et une ligne de refroidissement. Un schéma et une photo est présentée à la figure 2.

ATTENTION: L'eau de refroidissement doit être utilisé pour protéger le microscope optique sur le système de chauffage Raman!

6. Visualisation nanométrique de coke par l'AFM et EFM

  1. Polonaise une face de 1 cm x 1 coupon de nickel mm carré vers le bas pour le grade de 0,1 um, comme décrit dans le protocole 2.2.
  2. Dans un tube de quartz bordée four, exposer le coupon de nickel brillant pour faire circuler un gaz contenant 10% de C 3 H 8 pondérées par Ar à 550 ° C pendant 1 min, le gaz doit être à barboter dans l'eau à température ambiante pour humidifier le gaz de 3 % vol. H 2 O avant d'entrer dans le tube de quartz.
  3. Retirer l'échantillon du four. Inspectez la morphologie de surface par microscopie optique et MEB.
  4. Monter l'échantillon sur une rondelle de métal à l'aide d'une bande conductrice en cuivre pour l'AFM et l'étude EFM.
  5. Recueillir une image morphologie en utilisant l'AFM en mode tapping.
  6. Installez un n-Si de type base AFM pointe (NSC16) ou un conducteur AFM pointe (CSC11/Cr-Au) sur le support électrique (MMEFCH).
  7. Balayer la surface de l'échantillon en mode "Lift", dans laquelle la pointe recueille d'abord les informations topographiques sur son premier voyage à travers la surface de l'échantillon et efr sens de l'angle de phase sur son deuxième voyage pour plus d'informations force électrostatique. Régler la hauteur de levage d'abord à 100 nm, et le diminuer progressivement à approximativement la même valeur de la rugosité de la surface (20-30 nm).
  8. À travers une interface claire entre la région de coke et propre de surface de nickel, de recueillir une série de linescans EFM tout en changeant le biais de l'échantillon.
  9. En comparant les linescans EFM à différents potentiels de polarisation de l'échantillon, déterminer la tension à laquelle l'angle de phase de contraste bascule 21.
  10. Recueillir une image avec un biais d'échantillonnage qui est WRT 1-2V négatif du point de commutation, et une autre image avec un biais d'échantillonnage qui est WRT 1-2V positif du point de commutation.
  11. En comparant l'image de la topographie, et les deux ensembles d'images à EFM biais d'échantillonnage différentes, obtenir une carte de répartition de la phase de carbone et de nickel sur l'échantillon. * Pour nos analyses SPM, un Nanoscope Veeco IIIA système a été utilisé. Un schéma du principe de fonctionnement de l'analyse EFM23, 24 est représenté sur la figure 3.

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Representative Results

Analyse empoisonnement par le soufre

Le montre la figure 4 sont typiques des courbes IV et IP d'une cellule avec une électrode de grille Ni sous H 2 et de l'état 20 ppm de H2S. De toute évidence, l'introduction de même quelques ppm de H 2 S peut empoisonner l'anode de Ni-YSZ et entraîner une dégradation considérable des performances.

Afin de mieux comprendre le comportement intensive empoisonnement de l'anode de Ni-YSZ, AC spectroscopie d'impédance de la cellule a été effectuée sous tension de circuit ouvert (OCV) conditions. Représentée sur la figure 5 sont les parcelles de Nyquist pour la cellule avant et après l'anode ont été exposés à des carburants contenant 0 et 20 ppm de H 2 S à 767 ° C. Deux électrodes d'impédance a été utilisée dans cette étude, puisque l'impédance cellule est dominée par celle de l'électrode de travail, une électrode de référence n'a donc pas été nécessaire. Les spectres d'impédance que la résistance majeure partie est restée la même while la résistance interfaciale considérablement augmenté après l'anode a été exposé au H 2 S contenant de l'essence.

La figure 6 est typique de l'empoisonnement et le comportement de récupération de la cellule à 767 ° C sous 20 ppm H 2 S. Tant l'empoisonnement et les processus de récupération à la fin et semble atteindre un état ​​stable en quelques minutes, ce qui est un comportement très différent de Ni-YSZ épaisseur des anodes qui précédemment étudiés, où une période beaucoup plus longue était nécessaire en particulier pour le processus 25 Récupération, 26.

Cartographie d'intensité Raman a été utilisée pour obtenir des informations sur la façon chimique plus la surface de l'électrode interagit avec le soufre dans le gaz combustible. Figure 7 montre une micrographie optique de l'interface Ni / YSZ avec une carte de Raman de la même zone traçant l'intensité d'un mode associé avec SO x (espèces intensité intégrée entre 960-1000 cm -1). Les espèces étaient exclusitivement observé sur la surface Ni et étaient généralement concentrées plus loin des TPB.

Dans l'analyse Raman in situ de coke sur YSZ-embedded Ni Mesh

La figure 8a montre une micrographie optique d'une électrode en treillis de Ni non modifié à 625 ° C en atmosphère réductrice (pour éviter l'oxydation de Ni non désiré) directement avant l'introduction de C 3 H 8. Après C 3 H 8 a commencé à couler dans la chambre, les spectres ont été collectés périodiquement à partir d'un point sur ​​la surface d'un échantillon de Ni mesh. Cet endroit est marqué par le cercle vert sur ​​la figure 8b, qui montre le maillage après 15 h de la forme humide C 3 H 8 exposition à 625 ° C. Carbone n'est détectable sur la surface à mailles Ni; le spectre recueilli à partir du substrat (carré rouge) montre que les caractéristiques YSZ (figure 8c). Un graphique de la variation de l'intensité carbone du signal par rapport au cours des premières heures de expostemps ure est illustré à la figure 8d. L'intensité du signal du carbone augmenté de carbone accumulé sur la surface du Ni de cokéfaction. La quantité de signal détectable carbone éventuellement stabilisée après quelques heures. Un échantillon maille Ni modifié par BaO, comme décrit dans le protocole 2,5 a été soumis aux mêmes conditions expérimentales. Une micrographie de spectres Raman et collectées à partir de la surface de l'échantillon maille modifié au niveau du repère 15-heures d'exposition identique à 8b/8c figures sont représentées en figure 8e et 8f figure, respectivement. Signal de carbone n'était pas détectable même sur la surface de Ni dans ce cas.

Analyse SPM de coke sur Ni

Inhomogènes des taches sombres formées sur la surface du coupon de Ni après avoir été exposé à 3 en C 8-gaz contenant, qui sont représentés dans les images au MEB de la figure 9 H. Figure 10 sont l'AFM / EFM images takfr à partir de ces deux régions sombres et la lumière.

Figure 1
Figure 1. Schéma de la fabrication de batteries Ni-motif d'électrodes de la cellule et la caractérisation 27.

Figure 2
Figure 2. Schéma de configuration chambre environnementale dans l'analyse Raman in situ (à gauche) avec une photo de la chambre (à droite). Les tubes jaunes dans la photographie sont les conduites d'eau de refroidissement qui ne sont pas représentés dans le schéma à gauche.

Figure 3
Figure 3. Schéma du principe de fonctionnement de la microscopie à force électrostatique (EFM). (A) Le schéma montrant biais d'unpplied sur l'échantillon. (B) Le changement d'angle de phase de la parcelle pointe de l'AFM par rapport à la fréquence de vibration, une forte interaction électrostatique entraîne plus dégraisser à l'angle de phase. (C) Le schéma de bande d'énergie d'électrons de l'échantillon (nickel et de carbone) et de la pointe lorsque l'échantillon est polarisée positivement par rapport `a la pointe et (D) lorsque l'échantillon est polarisée négativement par rapport` a la pointe 28.

Figure 4
Figure 4. Performances typiques de la cellule exploité sous pur H 2 et H 2 avec 20 ppm de H 2 S à 767 ° C 27.

Figure 5
Figure 5. Spectres d'impédance de la cellule avec l'eau pure H 2 et H 2 avec 20 ppm de H 2 S comme combustibles mesurée à 767 ° C nonder tension de circuit ouvert 27.

Figure 6
La figure 6. Type (A) et le comportement de récupération empoisonnement (B) de la cellule de H 2 avec 20 ppm de H 2 S à 767 ° C fonctionnant à 0,75 V 27.

Figure 7
Figure 7. Micrographie optique de l'angle du motif Ni électrode en maille en YSZ qui a été opéré en H 2 S contenant du carburant et séchés à l'air pendant 18 jours (à gauche) avec une carte Raman de la bande de SO x dans la même zone (à droite ) 27.

Figure 8
Figure 8. (A) Micrographie optique de Ni mesh intégré dans YSZ.(B) maillage Ni même intégré après une exposition à C 3 H 8 contenant du gaz à 625 ° C pendant 15 heures. (C) spectres Raman recueillis in situ à partir des points marqués (b) à la barre des 15 heures de C 3 l'exposition aux gaz H 8-conteneur. (d) Terrain de variation de l'intensité du signal Raman de carbone recueillies au fil du temps de la tache cercle vert sur ​​la maille Ni marquée en (b). (e) Micrographie optique près de l'interface de BaO modifié Ni maille et YSZ cours de même C 3 H 8 traitement. (f) des spectres Raman recueillis sur place, à la barre des 15 heures aux endroits marqués à (e). (Reproduit à partir de 8). Cliquez ici pour agrandir la figure .

Figure 9
Figure 9.Images MEB de Ni cokéfié montrant les différences morphologiques causés par la cokéfaction inhomogène.

Figure 10
Figure 10. (A) image AFM de la région de la lumière montre la figure 9 et (B) l'image EFM de la même zone. (C) image AFM de la région sombre illustré à la figure 10 et (D) image EFM de la même zone. L'échantillon est polarisé à-1V par rapport à la pointe de l'AFM, et donnant ainsi une couleur plus vive (faible interaction pointe-échantillon) à la région recouverte de carbone.

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Discussion

Analyse empoisonnement par le soufre

Les spectres d'impédance représenté sur la figure 5 indiquent que l'empoisonnement au soufre est un phénomène de surface ou interfaciale plutôt que celui qui affecte la masse du matériau. Plus précisément, l'empoisonnement rapide de l'électrode de grille Ni (figure 6) pouvant résulter de l'exposition directe de l'électrode Ni le gaz combustible et de soufre adsorption ultérieure; diffusion gazeuse ne limite pas la vitesse de ce processus autant que dans le cas d'un poreuse épaisse Ni / YSZ anode. Soufre fortement adsorbé sur ou près de la limite de phase triple (TPB) entre Ni, YSZ, et le carburant seraient susceptibles de bloquer les sites actifs pour l'oxydation électrochimique de H 2 à la TPB, résultant en une perte de performance rapide. D'autre part, au cours du processus de récupération, le courant traversant la cellule peut aider l'oxydation électrochimique du soufre adsorbé sur la surface de l'anode de SO 2, en particulier au niveau ou à proximité du TPB. SurCE soufre est oxydé en SO 2, il va rapidement se désorber de la surface d'anode, ce qui conduit à la ré-exposition de l'interface Ni / YSZ de la phase gazeuse (régénération de TPB) et la récupération pratiquement complète de l'exécution 26. Cependant, le courant pourrait ne pas être suffisamment efficace pour supprimer complètement le soufre adsorbé loin des régions TPB, qui peuvent rester sur la surface, même après guérison complète de la performance. Cette possibilité a été explorée par le vieillissement de l'électrode dans l'air pour former des groupes de SO x qui peuvent être détectés par spectroscopie Raman (figure 7). Les résultats de cartographie Raman confirment cette hypothèse. En outre, aucun autre Ni-S phases pourraient être détectés par spectroscopie Raman, qui soutient l'idée que le processus d'empoisonnement à la température étudiée n'implique pas de nouvelle formation de la phase sulfure vrac.

Dans l'analyse Raman in situ de coke sur YSZ-embedded Ni Mesh

Les résultats fournissent Raman cLear preuve que la cokéfaction se produit de préférence sur les surfaces Ni quand une anode de Ni-YSZ est exploité sur un combustible hydrocarboné. Cette préférence pour Ni pour le dépôt de carbone est probablement dû à l'activité catalytique Ni plus élevé pour une telle réaction sur YSZ. D'autre part, le dépôt de carbone a apparemment permis d'éviter beaucoup de BaO modification. Le traitement de modification a été similaire à celle utilisée dans le travail effectué par Yang et al. 16, qui a constaté que BaO nanoparticules sur la surface de Ni peut conjurer coke en présence d'eau. Le présent ouvrage prend en charge ces conclusions.

Analyse SPM de coke sur Ni

Analyse MEB a révélé forme détaillée et la morphologie des différents degrés de dépôt de carbone (figure 9). Les taches sombres sont les régions susceptibles de dépôts de carbone plus lourd. Microscopie à force électrostatique (EFM) a été utilisé en combinaison avec l'AFM pour aider à confirmer this et carte du dépôt de carbone à l'échelle nanométrique (résolution <nm 25). Tandis que l'AFM est capable de distinguer les variations morphologiques après traitement d'hydrocarbures, EFM simultanément le potentiel de surface des jauges à travers lequel les phases de surface sont identifiés (figure 3). Lorsque l'échantillon est biaisé positivement ou négativement par rapport à la pointe, la région ayant un potentiel de surface inférieure ou supérieure (E vac-E f), respectivement, encourra une interaction plus forte avec la pointe. Depuis nickel et du carbone, qui sont les deux espèces présentes sur l'échantillon, ont chacun une surface de potentiel différent, EFM est capable de les séparer. Dans le cas de notre étude, l'échantillon a été biaisé à -1 V par rapport à la pointe, afin de carbone avaient plus faible interaction avec la pointe. Comme le montre la figure 10, la région de la lumière avaient moins de rugosité en termes de topographie, et seulement quelques taches de carbone associés à apparaître dans l'image EFM, confirmant verdépôt de carbone y de la lumière. Pendant ce temps, la région sombre inspecté a une grande quantité de rugosité de surface, et la majorité de la surface est couverte par des espèces ayant une interaction faible avec la pointe, ce qui indique la cokéfaction beaucoup plus lourd.

Espèces nanométriques Représentation basée sur les EFM est une approche prometteuse pour étudier l'impact des nano-catalyseurs appliqués sur les matériaux. Par exemple, en appliquant BaO sur la surface du nickel, de la couverture et de la morphologie des taches de cokéfaction radicalement changé. En comparant les images EFM qui montrent le comportement du carbone locaux de dépôt pour différents catalyseurs, leurs capacités de résistance peut être mieux évaluée.

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Disclosures

Aucun conflit d'intérêt déclaré.

Acknowledgments

Ce travail a été soutenu par le Centre HeteroFoaM, un centre de recherche sur l'énergie Frontier financé par le Département américain de l'énergie, Bureau de la science, Bureau des sciences fondamentales de l'énergie (BES) sous le numéro DE-prix 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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