Vi presenterar en unik plattform för att karakterisera elektrodytorna i fasta bränsleceller oxid (SOFCs) som tillåter samtidig fullgör flera karakteriseringstekniker (<em> T.ex. in situ</em> Raman-spektroskopi och svepspetsmikroskopi tillsammans elektrokemiska mätningar). Kompletterande information från dessa analyser kan bidra till att främja mot en djupare förståelse av elektrod reaktion och mekanismer nedbrytning, vilket ger insikter i rationell design av bättre material för SOFCs.
Solid Oxide Fuel celler (SOFCs) är potentiellt den mest effektiva och kostnadseffektiva lösning för utnyttjande av en mängd olika bränslen utöver vätgas 1-7. Prestandan hos SOFCs och graden av många kemiska och energi omvandlingsprocesser i energilagring och enheter konvertering i allmänhet begränsas i första hand av laddning och masstransport längs elektrodytorna och över gränssnitt. Tyvärr är mekanistisk förståelse av dessa processer saknas fortfarande, vilket främst beror på svårigheten att karakterisera dessa processer under in situ-förhållanden. Denna kunskapslucka är en chef hinder för SOFC kommersialisering. Utvecklingen av verktyg för sondering och kartlägga ytan kemiska relevanta för elektroden reaktioner är avgörande för reda ut mekanismerna bakom ytan processer och att uppnå en rationell design av nya elektrodmaterial för effektivare lagring av energi och konvertering 2. Bland de relativt få på plats </ Em> ytanalys metoder kan Ramanspektroskopi utföras även med höga temperaturer och hårda atmosfär, vilket gör den idealisk för att karakterisera kemiska processer som är relevanta för SOFC anod prestanda och nedbrytning 8-12. Den kan också användas tillsammans med elektrokemiska mätningar, vilket kan vara direkt korrelation mellan elektrokemi att ytkemi i en operativ cell. Korrekt in situ Raman kartläggning mätningar skulle vara användbart för pin-pekade viktiga anod reaktionsmekanismer på grund av dess känslighet för relevanta arter, inklusive anod prestandaförsämring genom kolavsättning 8, 10, 13, 14 ("koks") och svavel förgiftning 11, 15 och det sätt på vilket ytmodifieringar avvärja denna nedbrytning 16. Det nuvarande arbete visar betydande framsteg mot denna möjlighet. Dessutom ger familjen svepspetsmikroskopi (SPM) tekniker en särskild strategi för att förhöra den elektrode yta med nanoskala upplösning. Förutom ytan topografi som rutinmässigt samlas in av AFM och STM, kan andra egenskaper såsom lokala elektroniska tillstånd, jon diffusionskoefficient och ytpotential också undersökas 17-22. I detta arbete, har elektrokemiska mätningar, Raman-spektroskopi, och SPM används i samband med en ny testelektrod plattform som består av en Ni-nät elektrod inbäddad i en yttriumoxidstabiliserad zirkoniumoxid (YSZ) elektrolyt. Cell prestandatester och impedans spektroskopi enligt bränsle som innehåller H-2 S präglades, och Raman kartläggning användes för att ytterligare belysa natur svavelförgiftning. In situ Raman övervakning användes för att undersöka koksning beteende. Slutligen (EFM) atomkraftsmikroskopi (AFM) och elektrostatisk kraft mikroskopi användes för att ytterligare visualisera kolavsättning på nanonivå. Från denna forskning vill vi skapa en mer fullständig bild av SOFC anoden.
Svavelförgiftning Analys
Impedansen spektra som visas i figur 5 tyder på att svavelförgiftning är en yta eller interfacial fenomen snarare än ett som påverkar huvuddelen av materialet. Specifikt, kan den snabbt förgiftning av Ni nätelektroden (figur 6) resulterar från direkt exponering av Ni-elektrod till bränslegasen och efterföljande svavel adsorption, gasdiffusion skulle inte begränsa hastigheten i denna process så mycket som i fallet med en tjo…
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete stöddes av HeteroFoaM Center Energy Frontier Research Center finansieras av US Department of Energy, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences (BES) under Award Nummer DE-SC0001061.
Name of Reagent/Material | 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 |