Vi præsenterer en unik platform til at karakterisere elektrodeoverflader i fastoxidbrændselsceller (SOFC), der tillader samtidig udførelse af flere teknikker til karakterisering (<em> Fx in situ</em> Raman spektroskopi og scanning probe mikroskopi sammen elektrokemiske målinger). Supplerende oplysninger fra disse analyser kan bidrage til at fremme mod en dybere forståelse af elektrode reaktion og nedbrydningsmekanismer, der giver indsigt i rationelt design af bedre materialer til SOFC.
Fastoxidbrændselsceller (SOFC) er potentielt den mest effektive og omkostningseffektive løsning ved anvendelse af et bredt udvalg af brændsler ud over hydrogen 1-7. Udførelsen af SOFC og satserne for mange kemiske og energi transformationsprocesser i energilagring og konverteringsenheder i almindelighed er primært begrænset af ladning og masse transfer langs elektrodeoverflader og på tværs af grænseflader. Desværre er mekanistisk forståelse af disse processer stadig mangler, hvilket især skyldes vanskeligheden ved at karakterisere disse processer under in situ-betingelser. Denne mangel på viden er en væsentligste hindring for SOFC kommercialisering. Udviklingen af værktøjer til sondering og kortlægge overflade kemier relevante for elektrode reaktioner er afgørende for at udrede de mekanismer overfladeprocesser og opnå rationelt design af nye elektrode materialer til mere effektiv energilagring og konvertering 2. Blandt de relativt få in situ </ Em> overflade analysemetoder, kan Raman spektroskopi udføres selv med høje temperaturer og barske stemninger, hvilket gør den ideel til at karakterisere kemiske processer der er relevante for SOFC anode ydeevne og nedbrydning 8-12. Det kan også bruges sammen med elektrokemiske målinger, som potentielt giver direkte korrelation mellem elektrokemi at overfladekemi i et operativsystem celle. Korrekt in situ Raman kortlægning målinger vil være nyttigt for pin-pointing vigtige anode reaktionsmekanismer grund af dens følsomhed over for de relevante arter, herunder anode forringelse af ydeevnen gennem carbon deposition 8, 10, 13, 14 ("forkoksning") og svovlforgiftning 11, 15 og den måde, hvorpå overflademodifikationer afværge denne nedbrydning 16. Den nuværende arbejde viser betydelige fremskridt hen imod denne evne. Desuden giver familien af scanning probe mikroskopi (SPM) teknikker en særlig tilgang at afhøre den elektrode overflade med nanoskala opløsning. Udover den overfladetopografi, der rutinemæssigt indsamlet af AFM og STM, kan andre egenskaber, såsom lokale elektroniske tilstande, ion diffusionskoefficient og overfladepotentiale også undersøges, 17-22. I dette arbejde blev elektrokemiske målinger, Raman spektroskopi, og SPM anvendes i forbindelse med en hidtil ukendt testelektroden platform, der består af en Ni mesh elektrode indlejret i en yttriumoxid-stabiliseret zirkoniumoxid (YSZ) elektrolyt. Cell præstationstests og impedansspektroskopi under brændstof indeholdende H2S blev karakteriseret, og Raman kortlægning blev anvendt til yderligere at belyse beskaffenheden af svovlforgiftning. In situ Raman kontrol blev anvendt til at undersøge koksdannelse adfærd. Endelig atomic force mikroskopi (AFM) og elektrostatisk force microscopy (EFM) blev anvendt til yderligere at visualisere carbonaflejring på nanoskala. Fra denne forskning, ønsker vi at producere et mere fuldstændigt billede af SOFC anode.
Svovlforgiftning Analysis
Impedans spektre vist i figur 5 antyder, at svovlforgiftning er en overflade eller grænseflade-fænomen snarere end en, der påvirker størstedelen af materialet. Præcist vil hurtig forgiftning af Ni mesh elektrode (figur 6) skyldes direkte eksponering af Ni elektrode til brændgas og efterfølgende svovl adsorption, gasdiffusion ikke begrænse hastigheden af denne proces, såvel som i tilfælde af en tykt porøst Ni / YSZ anode. St?…
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde blev støttet af HeteroFoaM Center, en Energy Frontier Research Center finansieret af det amerikanske Department of Energy, Office of Science, Office of Basic Energi Videnskaber (BES) under Award Number 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 |