Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

التحقيق ورسم الخرائط أسطح الكهربائي في خلايا الوقود الصلبة أكسيد

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

نقدم منصة فريدة لوصف السطوح الصلبة في القطب أكسيد خلايا الوقود (SOFCs) التي تسمح الأداء المتزامن لتقنيات توصيف متعددة (

Abstract

خلايا الوقود الصلبة أكسيد (SOFCs) يمكن أن تكون الحل الأكثر كفاءة وفعالية من حيث التكلفة لاستخدام مجموعة واسعة من أنواع الوقود خارج الهيدروجين 1-7. وتقتصر على أداء SOFCs ومعدلات العمليات الكيميائية وتحويل الطاقة في تخزين الطاقة وأجهزة التحويل في المقام الأول من قبل المسؤول العام والشامل على طول الأسطح نقل الكهربائي وعبر الواجهات. وللأسف، فإن فهم الآلية من هذه العمليات لا يزال غير موجود، وذلك بسبب صعوبة وصفها لهذه العمليات تحت ظروف في الموقع. هذه الفجوة المعرفية هي العقبة الرئيسية لتسويق SOFC. تطوير أدوات لبحث ورسم الخرائط ذات الصلة كيمياء السطح إلى ردود فعل الكهربائي أمر حيوي لكشف آليات العمليات السطحية والتصميم لتحقيق الرشيد للمواد القطب جديدة لتخزين الطاقة أكثر كفاءة وتحويل 2. بين عدد قليل نسبيا في الموقع </ م> أساليب التحليل السطحي، يمكن إجراء رامان الطيفي حتى مع ارتفاع درجات الحرارة وأجواء قاسية، مما يجعلها مثالية لوصف العمليات الكيميائية ذات الصلة لأداء الأنود SOFC وتدهور 8-12. ويمكن أيضا أن تستخدم جنبا إلى جنب مع القياسات الكهروكيميائية، مما يسمح يحتمل علاقة مباشرة من على السطح الكيمياء الكهربائية في زنزانة التشغيل. والصحيح في الموقع القياسات رامان رسم الخرائط تكون مفيدة للدبوس مشيرا المهم آليات رد الفعل الأنود بسبب حساسيتها إلى الأنواع ذات الصلة، بما في ذلك تدهور الأداء من خلال ترسب الكربون الأنود 8، 10، 13، 14 ("الكوك") والتسمم الكبريت 11، (15) والطريقة التي التعديلات سطح درء هذا التدهور 16. العمل الحالي يوضح تقدما كبيرا نحو هذه القدرة. وبالإضافة إلى ذلك، عائلة المسح المجهري التحقيق (SPM) يوفر نهجا تقنيات خاصة لاستجواب الكهربائيةدي السطح مع قرار النانو. وإلى جانب التضاريس السطحية التي يتم جمعها بشكل روتيني من قبل AFM وSTM، ويمكن أيضا خصائص أخرى مثل الولايات الالكترونية المحلية، ونشر أيون معامل سطح المحتملة يتم التحقيق 17-22. في هذا العمل، واستخدمت القياسات الكهروكيميائية، رامان التحليل الطيفي، وSPM بالتزامن مع القطب منصة اختبار الرواية التي تتكون من القطب شبكة ني جزءا لا يتجزأ من المنحل بالكهرباء اليتريا-استقرت (YSZ) زركونيا. وقد تميزت الخلية اختبار الأداء والتحليل الطيفي مقاومة تحت الوقود تحتوي على H 2 S، وكان يستخدم رسم الخرائط لتوضيح مزيد من رامان طبيعة التسمم الكبريت. رامان في رصد الموقع كان يستخدم للتحقيق في تصرفات الكوك. وأخيرا، مجهر القوة الذرية (AFM) والكهربائي قوة المجهر (EFM) كانت تستخدم لتصور المزيد من ترسب الكربون على النانو. من هذا البحث، الذي ننشده لإنتاج صورة أكثر اكتمالا من الأنود SOFC.

Protocol

1. تصنيع خلية شبكة الأنود YSZ جزءا لا يتجزأ من

  1. تزن خارج دفعتين من 0.2 غرام من مسحوق YSZ.
  2. 1 مسحوق ضغط YSZ دفعة في قالب اسطواني الفولاذ المقاوم للصدأ (13 مليمتر في القطر) مع الصحافة وجاف ذو محورين عند ضغط من 50 ميجا باسكال لمدة 30 ثانية.
  3. قطع <1 سم، وقطعة من شبكة ني ووضعه على سطح القرص YSZ داخل القالب.
  4. إضافة أخرى 0.2 غرام من مسحوق YSZ على رأس شبكة ني داخل القالب وتتسطح سطح مسحوق باستخدام ذاكرة الوصول العشوائي.
  5. اضغط على شبكة أحادى المحور ني تقع بين حزم من مسحوق YSZ عند ضغط من 300 ميجا باسكال لمدة 30 ثانية.
  6. استخراج ضغط ني / YSZ بيليه من العفن.
  7. إطلاق بيليه في C ° 1440 لمدة 5 ساعة في بوتقة زركونيا باستخدام فرن أنبوب أفقي مع جو المتدفقة الغاز الحد (4٪ H 2 / AR بال).

2. التعرض وتلميع، وتعديل مش الكهربائي ني

  1. الميكانيكيتحالف طحن بعيدا وجها واحدا من العينة YSZ متكلس الماس ميكرون باستخدام 6 حصى حتى يتم كشف شبكة السطح النيكل.
  2. تلميع كذلك شبكة ني يتعرض سطح باستخدام 3 ميكرون، ميكرومتر 1، و 0.1 ميكرومتر في وسائل الإعلام الماس تعليق جليكول المياه / الإيثيلين لحوالي 1 دقيقة في كل خطوة تلميع.
  3. تنظيف بالموجات فوق الصوتية العينة المصقول في الأسيتون، والإيثانول، والماء لمدة 10 دقيقة DI لكل منهما.
  4. تجفيف العينة تحت تيار الهواء المضغوط نظيفة.
  5. لعيون ني مع المقاومة الكوك زيادة، إطلاق العينة في C ° لمدة 2 ساعة 1200 في الحد من الغلاف الجوي في وجود، ولكن ليس على اتصال مع، ومسحوق باو.

3. إعداد واختبار خلايا الكهروكيميائية كاملة

  1. فرشاة الطلاء حج العجينة على سطح العكس من العينة YSZ من شبكة، النيكل ليكون بمثابة القطب المضاد.
  2. نعلق سلك ملفوف حج إلى القطب المضاد باستخدام معجون حج.
  3. بعد تجفيف عجينة حج على samplه في 120 ° C في الفرن لمدة 30 دقيقة، قم بتوصيل سلك 0.2 مم قطر حج إلى شبكة، النيكل باستخدام معجون حج على الطرف.
  4. تجفيف العينة مرة أخرى في 120 ° C في الفرن لمدة 30 دقيقة.
  5. ختم الخلية (ني شبكة لأسفل) على رأس 3/8 بوصة أنبوب السيراميك الخلية اعبا اساسيا باستخدام ختم Aremco 552 (Ceramabond).
  6. السماح للتسرب لتجف في الهواء لمدة 2-4 ساعة.
  7. الاتصال اثنين من الأسلاك المعزولة الفضة إلى كل من الأسلاك الكهربائي اثنين.
  8. تحميل اعبا اساسيا خلية في فرن أنبوبي، قم بتوصيل خط لاعبا اساسيا الغاز، وإرفاق الأسلاك إلى معدات الاختبار السليم الكهروكيميائية.
  9. بدء تدفق فائقة النقاء الصف (99.999٪) H 2 الغاز من خلال الخلية في المباراة بنسبة 50 SCCM، وينبغي فقاعات الغاز من خلال غرفة درجة حرارة الماء إلى ترطيب الغاز إلى المجلد 3٪. H 2 O قبل دخول المباراة الخلية.
  10. تسخين الفرن مع الخلية التي شنت على 100 درجة مئوية لمدة 2 ساعة، تليها 260 درجة مئوية لمدة 1 ساعة، ثم أخيرا 800 درجة Cاستمرت بمعدل التعلية من 1 ° C مع تتدفق من خلال جميع H 2 التدفئة لتجنب أكسدة القطب ني. أول الخطوات التدفئة هما لعلاج وCeramabond.
  11. عقد الخلية في الفرن على درجة 800 لC 2 ساعة للسماح القطب حج إلى مكافحة اللبيدة.
  12. تبرد قليلا الخلية إلى 767 درجة مئوية لمدة اختبار الأداء الكهروكيميائية.
  13. بعد الاختبار، وإزالة بعناية المباراة الخلية من الفرن لتبريد في درجة حرارة الغرفة مع الاستمرار في تدفق H مرطب 2. (تنبيه:! استخدام معدات الوقاية الشخصية المناسبة للتعامل مع السيراميك ساخنة للغاية، مثل القفازات الحرارية والحصير)
  14. فصل الخلايا من المباراة لتوصيف الوظائف عن طريق فصل الأسلاك الكهربائية وفصل بعناية الخلية من تسرب Ceramabond.

* الشكل 1 يمثل التخطيطي للخلية YSZ جزءا لا يتجزأ من شبكة ني، جنبا إلى جنب مع صورة نموذجية وصورة مجهرية البصري للجزءا لا يتجزأ منشبكة.

* لتحقيقاتنا، وتميزت electrochemically الخلايا مع potentiostat PAR EG & G (نموذج 273A) إلى جانب وجود محلل Solartron HF 1255 استجابة التردد باستخدام CorrWare وZPlot البرمجيات (سكريبنر والمنتسبين). واستخدمت خطية voltammetry الاجتياح المستمر وamperometry الجهد لوصف أداء الخلية، وتم الحصول عليها أطياف مقاومة في مدى التردد من 100 كيلو هرتز إلى 0.1 هرتز مع اتساع من 10 بالسيارات. لدراسة التسمم الكبريت، كانت مختلطة خليط الغاز مصدقة من 100 جزء في المليون S 2 H في H 2 في تيار الغاز مع الوقود النقي H 2 إلى الحصول على جزء من المليون 20 H 2 S / H 2 الخليط.

4. بعد اختبار رسم الخرائط Spectromicroscopic رامان

  1. يضعوا العينة خلية مع شبكة الأنود التي تواجه التصاعدي على طبق المجهر مرحلة رامان مع الشريط اللاصق أو لمنع حركة عينة خلال تحليل رامان.
  2. استخدام المجهر والمرحلة XYZ إلىتحديد موقع الحدود بين اجهة شبكة ني والركيزة YSZ.
  3. جعل الليزر إلى التركيز عن طريق التحول المرشحات المجهر ناعما وتعديل وتنسيق Z المرحلة.
  4. مطياف رامان تعيين للحصول على الأطياف في العقد في شبكة مستطيلة تتراكب منطقة واجهة مع 2 ميكرومتر فترات تفصل بين العقد. وينبغي أن تتركز حول أطياف متجه مموج موجه (ق) المقابلة لوضع رامان (ق) من الأنواع أو المرحلة (ق) من الفائدة. في هذه الحالة، يتم اختيار 980 سم -1 لX SO.
  5. لكل الأطياف ودمج شدة عبر وضع رامان (ق) من الفائدة وتقسيم شدة من خط الأساس المسطحة مع الطيف نفسه. ويمكن بعد ذلك أن الكثافة النسبية المرسومة في خريطة كنتورية / اللون فيما يتعلق إحداثياتها.

تم إجراء رامان spectromicroscopy باستخدام نظام RM1000 Renishaw مجهزة مودو الليزر الليزر StellarPro 514 سورة أيون نانومتر (5 ميغاواط) وعلى الorlabs HRP170 633 نانومتر والليزر، ني (17 ميغاواط). وقد تم تجهيز النظام مع آلية مرحلة XYZ (H101RNSW العلمية السابقة) وعدسة الهدف 50X، مما يسمح لمعا 2 ~ ميكرون القرار رسم الخرائط. واستخدم سلك Renishaw 2.0 برنامج بالتعاون مع الأجهزة. تمت معالجة البيانات باستخدام MATLAB (ماثووركس).

5. في الرصد رامان الموقع من الكوك 8

  1. شبكة إرفاق ني YSZ جزءا لا يتجزأ من العينة إلى المرحلة غرفة رامان باستخدام معجون حج مع شبكة تواجه التصاعدي.
  2. تسخين غرفة مفتوحة للC ° 300 لل1 ساعة حتى يجف، والقضاء على تعليق معجون حج المتوسط.
  3. ختم غطاء غرفة رامان ويضعوا إلى مرحلة المجهر رامان. استخدام المجهر لتحديد موقع واجهة ني / YSZ كما هو موضح في البروتوكول 4.2.
  4. بدء تدفق 4٪ H 2 / AR الغاز مرطب من عوامات المياه من خلال دائرة في SCCM 100 ~.
  5. تسخين غرفة رامان إلى 625 ° C.
  6. جعل الليزر إلى التركيزوجمع المسح الأساسي رامان من البقع على شبكة ني وYSZ الركيزة في نطاق 150-2000 سم -1.
  7. أعرض 3-5٪ C 3 H 8 في تدفق الغاز وجمع أطياف رامان من ني على فترات منتظمة في حين أن الغاز يتدفق لمراقبة ترسب الكربون على سطح بمرور الوقت (على سبيل المثال 15 ساعة).
  8. تبريد العينة ببطء (5 ° C / دقيقة) في تدفق 4٪ H 2 / AR.

* تم إجراء تحليل رامان في الموقع وقد تم تجهيز مع العرف المعدلة Harrick العلمية غرفة ذات درجة الحرارة العالية chamber.The التفاعل مع غطاء نافذة الكوارتز، وصلات الغاز، وخط التبريد. ويرد التخطيطي والصورة في الشكل 2.

تنبيه: يجب استخدام مياه التبريد لحماية المجهر الضوئي على نظام التدفئة من رامان!

6. النانو التصور من قبل التفحيم وهذه الآلية AFM

  1. البولندية وجها واحدا من 1 سم × 1 مم النيكل مربع القسيمة وصولا الى الصف من 0.1 ميكرومتر كما هو موضح في البروتوكول 2.2.
  2. في فرن أنبوب الكوارتز مبطنة، تعرض القسيمة النيكل المصقول لتدفق الغاز التي تحتوي على 10٪ C 3 H 8 صول متوازنة من قبل على 550 درجة مئوية لمدة 1 دقيقة، وينبغي فقاعات الغاز من خلال غرفة درجة حرارة الماء إلى ترطيب الغاز إلى 3 ٪ المجلد. H 2 O قبل دخول أنبوب الكوارتز.
  3. إزالة عينة من الفرن. تفقد مورفولوجيا السطح المجهر الضوئي وSEM.
  4. تحميل عينة الصعود إلى عفريت المعدنية باستخدام النحاس موصل الشريط لدراسة هذه الآلية وAFM.
  5. جمع الصورة التشكل باستخدام AFM التنصت في الوضع.
  6. تثبيت N-نوع سي مقرها AFM تلميح (NSC16) أو موصل تلميح AFM (CSC11/Cr-Au) على حامل الكهربائية (MMEFCH).
  7. مسح سطح العينة في "وضع رفع"، والذي يجمع الطرف أولا المعلومات الطبوغرافية على رحلة أول عبر سطح العينة والالحواس EN زاوية المرحلة الثانية في رحلة للحصول على معلومات القوة الكهروستاتيكية. تعيين ارتفاع الرفع في البداية إلى 100 نانومتر، وتنخفض تدريجيا لقيمة تقريبا نفسها من خشونة السطح (20-30 نانومتر).
  8. عبر واجهة واضحة بين المنطقة وتفحم نظيفة من سطح النيكل، وجمع سلسلة من linescans EFM أثناء تغيير التحيز العينة.
  9. من خلال مقارنة هذه الآلية في مختلف linescans إمكانات التحيز عينة، وتحديد الجهد الذي التباين زاوية مرحلة تقلب 21.
  10. جمع صورة مع وجود تحيز العينة التي يتم WRT 1-2V السلبية نقطة التبديل، وصورة أخرى مع تحيز العينة التي يتم WRT 1-2V نقطة إيجابية التبديل.
  11. من خلال مقارنة الصور الطوبوغرافية، ومجموعتين من الصور في هذه الآلية التحيز عينة مختلفة، الحصول على خريطة التوزيع للمرحلة الكربون والنيكل على العينة. * لدينا تحليل SPM، تم استخدام نظام Veeco IIIA Nanoscope. A التخطيطي لمبدأ عمل تحليل EFMويظهر 23 و 24 في الشكل 3.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

تحليل الكبريت التسمم

هو مبين في الشكل 4 هي نموذجية الرابع وIP المنحنيات من خلية مع ني القطب شبكة تحت H 2 وحالة 20 صفحة في الدقيقة H 2 S. ومن الواضح أن إدخال جزء في المليون فقط حتى عدد قليل من H 2 S تسميم الأنود ني YSZ كبيرة وتسبب تدهور الأداء.

ومن أجل مزيد من الكثافة فهم سلوك التسمم من الأنود ني YSZ، قام AC مقاومة للخلية التحليل الطيفي في ظل ظروف الدائرة المفتوحة (OCV) الجهد. هو مبين في الشكل (5) هي المؤامرات نايكست للخلية قبل وبعد تعرض لها كل من الأنود إلى وقود يحتوي على 20 جزء في المليون 0 و H S 2 في 767 ° C. تم استخدام اثنين من القطب مقاومة في هذه الدراسة، حيث تهيمن على مقاومة الخلية التي تعمل من القطب، وكان بالتالي لا حاجة الإلكترود المرجعي. وتظهر أطياف مقاومة أن المقاومة لا تزال معظم WH نفسإيل زيادة المقاومة بينية بشكل كبير بعد تعرض القطب الموجب إلى وقود H S التي تحتوي على 2.

هو موضح في الشكل 6 هو التسمم النموذجية والسلوك استعادة الخلية في 767 ° C تحت 20 جزء في المليون 2 H S. كل من التسمم وعمليات الإنعاش يبدو لإنهاء حالة مستقرة والتوصل في غضون بضع دقائق، وهو سلوك مختلف جدا من الأنودات ني YSZ السميكة التي درست سابقا، حيث هناك حاجة إلى إطار زمني أطول بكثير وخاصة لعملية الانتعاش 25 و 26.

تم استخدام رامان رسم الخرائط كثافة للحصول على مزيد من المعلومات حول كيفية الكيميائية على سطح القطب يتفاعل مع الكبريت في المازوت. الشكل 7 يعرض صورة مجهرية ضوئية من واجهة ني / YSZ مع خريطة رامان من نفس المنطقة بالتآمر كثافة وضع المرتبطة مع SO X الأنواع (كثافة متكاملة بين 960-1000 سم -1). كانت الأنواع exclusلاحظ ively على سطح النيكل وتركزت أكثر عموما بعيدا عن TPBs.

في تحليل رامان الموقع من التفحيم على شبكة ني YSZ جزءا لا يتجزأ من

الرقم 8A يعرض صورة مجهرية ضوئية من إلكترود ني شبكة معدلة في 625 ° C في الحد من الغلاف الجوي (لمنع الأكسدة غير مرغوب فيها ني) مباشرة قبل إدخال C 3 H 8. بعد C 3 H 8 بدأت تتدفق إلى غرفة، تم جمع أطياف دوري من بقعة على سطح عينة من شبكة ني. تم وضع علامة هذه البقعة من قبل دائرة خضراء في الشكل 8B، مما يدل على بعد 15 ساعة شبكة من الرطب C 3 التعرض 8 H في 625 ° C. الكربون قابلا للاكتشاف فقط على سطح شبكة ني، والتي تم جمعها من الطيف الركيزة (الساحة الحمراء) لا يظهر الا ملامح YSZ (8C الشكل). قطعة التغير في كثافة الكربون النسبية إشارة خلال الساعات القليلة الأولى من المعرضويرد في الوقت لدى عودتهم 8D الشكل. زيادة كثافة الكربون والكربون إشارة تراكمت على سطح ني من الكوك. كمية الكربون إشارة يمكن كشفها في نهاية المطاف قبالة تعادل بعد بضع ساعات. تعرض عينة شبكة ني تعديلها من قبل باو كما هو موضح في البروتوكول 2.5 إلى الظروف التجريبية نفسها. وتظهر صورة مجهرية من A وأطياف رامان جمعها من سطح العينة شبكة تعديل في العلامة نفسها التعرض استغرقت 15 ساعة و8b/8c الأرقام الواردة في الشكل و8E 8F الشكل، على التوالي. كان إشارة لا يمكن كشفها حتى الكربون على سطح النيكل في هذه الحالة.

تحليل SPM من التفحيم على ني

بقع داكنة غير متجانسة تتكون على سطح القسيمة ني بعد تعرضها لC 3 H 8 المحتوية على الغاز، والتي وصفت في الصور SEM في الشكل 9. هو مبين في الشكل 10 هي AFM / EFM الصور تاكEN من ضوء كل من هذه المناطق والظلام.

الشكل 1
الشكل 1. رسم تخطيطي للتصنيع الكهربائي الخلية ني وتوصيف نمط 27.

الشكل 2
الشكل 2. تخطيطي من إعداد غرفة البيئية لتحليل رامان في الموقع (يسار) مع صورة للغرفة (يمين). الأنابيب الصفراء في الصورة وخطوط تبريد المياه التي لا يتمثل في التخطيطي على اليمين.

الشكل 3
الشكل 3. تخطيطي لمبدأ عمل المجهر القوة الكهروستاتيكية (EFM). (A) والتخطيطي تبين التحيز لpplied على العينة. (B) والتحول التدريجي من زاوية المؤامرة تلميح AFM مقابل تواتر الاهتزاز؛ التفاعل كهرباء قوية تتحمل أكبر أزل الشحم في زاوية الطور. (C) والطاقة الإلكترون الرسم التخطيطي عصابة من العينة (النيكل والكربون) والإكراميات عند منحازة العينة WRT إيجابيا على نصيحة و(D) عند العينة منحازة WRT سلبا على تلميح 28.

الشكل 4
الشكل 4. الأداء النموذجي للخلية تعمل تحت 2 H نقية وH 2 S مع 20 جزء في المليون 2 H في 767 ° C 27.

الشكل 5
الشكل 5. أطياف المعاوقة للخلية مع H 2 و H نقية 2 مع 20 S جزء في المليون 2 H كوقود في قياس C ° 767 الامم المتحدةدير الجهد الدائرة المفتوحة 27.

الشكل 6
الشكل 6. النموذجية (A) والتسمم (B) السلوك استعادة الخلية في H 2 S مع 20 جزء في المليون 2 H في 767 ° C تعمل على 0.75V 27.

الشكل 7
الشكل 7. صورة مجهرية البصرية من زاوية القطب منقوشة في شبكة ني YSZ التي تم تشغيلها في H 2 S التي تحتوي على الوقود والمسنين في الهواء لمدة 18 يوما (يسار) مع خريطة رامان من الفرقة العاشرة SO في نفس المنطقة (اليمين ) 27.

الرقم 8
الشكل 8. (أ) صورة مجهرية الضوئية لشبكة ني جزءا لا يتجزأ من YSZ.(ب) نفس شبكة ني جزءا لا يتجزأ من بعد التعرض للC 3 H 8 المحتوية على غاز في 625 ° C لمدة 15 ساعة. (ج) أطياف رامان جمعها في الموقع من البقع ملحوظ في (ب) في مرقس 15 ساعة من C 3 H التعرض للغاز تحتوي على 8-(د) قطعة تغيير في كثافة الكربون إشارة رامان جمعها مع مرور الوقت من بقعة دائرة خضراء على شبكة ني ملحوظ في (ب). (ه) صورة مجهرية البصرية بالقرب من واجهة شبكة ني باو المعدلة وYSZ خلال نفس C 3 H 8 العلاج. (و) أطياف رامان جمعها في الموقع على علامة 15 ساعة من البقع ملحوظ في (ه). (مستنسخة من 8). اضغط هنا لمشاهدتها بشكل اكبر شخصية .

الشكل 9
الشكل 9.صور SEM ني تفحم تظهر الاختلافات المورفولوجية التي تسببها الكوك غير متجانسة.

الشكل 10
الشكل 10 (A) AFM صورة المنطقة الضوء هو موضح في الشكل (9) و(B) EFM صورة المنطقة نفسها. (C) AFM صورة المنطقة المظلمة هو موضح في الشكل (10) و(D) EFM صورة المنطقة نفسها. كان منحازا العينة إلى 1V فيما يتعلق تلميح AFM، وبالتالي إعطاء أكثر إشراقا اللون (أضعف بلاغ عينة التفاعل) إلى المنطقة مغطاة الكربون.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

تحليل الكبريت التسمم

أطياف مقاومة هو مبين في الشكل (5) تشير إلى أن التسمم الكبريت هو السطح أو ظاهرة بينية بدلا من أن يؤثر على الجزء الأكبر من هذه المادة. على وجه التحديد، قد تسمم سريعة من القطب شبكة ني (الشكل 6) تنجم عن التعرض المباشر للقطب ني للغاز الوقود واللاحقة امتصاص الكبريت؛ نشرها الغاز لن يحد من معدل هذه العملية بقدر ما في حالة وجود سميكة يسهل اختراقها ني / YSZ الأنود. وكثف الكبريت بقوة على أو بالقرب من الحدود المرحلة الثلاثي (TPB) بين ني، YSZ، ومنع الوقود من المرجح أن المواقع المفعلة للأكسدة كهروكيميائية من H 2 في TPB، مما أدى إلى فقدان الأداء السريع. من ناحية أخرى، أثناء عملية الاسترداد، يمكن للمرور التيار الكهربائي خلال خلية مساعدة الأكسدة الكهروكيميائية للكثف الكبريت على سطح القطب الموجب إلى SO 2، خاصة عند أو بالقرب من TPB. فييتأكسد الكبريت إلى م SO 2، وسوف تمج بسرعة من سطح القطب الموجب، مما يؤدي إلى التعرض إعادة واجهة ني / YSZ إلى مرحلة الغاز (تجديد TPBs) والشفاء التام تقريبا لأداء 26. ومع ذلك، قد لا يكون الحالية فعالة بما فيه الكفاية لإزالة الكبريت تماما كثف بعيدا عن المناطق TPB، والتي قد تظل على سطح حتى بعد الشفاء التام من الأداء. وكان استطلاع هذا الاحتمال عن الشيخوخة القطب في الهواء لتكوين مجموعات X بحيث يمكن الكشف عنها بواسطة التحليل الطيفي رامان (الشكل 7). نتائج رسم خرائط رامان دعم هذه الفرضية. وبالإضافة إلى ذلك، يتم الكشف عن أي شيء آخر ني S مراحل من رامان الطيفي، مما يدعم فكرة أن عملية التسمم عند درجة حرارة لا تنطوي على درس المرحلة الجديدة كبريتيد تشكيل بالجملة.

في تحليل رامان الموقع من التفحيم على شبكة ني YSZ جزءا لا يتجزأ من

نتائج رامان توفير جلير دليل على أن يحدث الكوك تفضيلي على السطوح ني عندما يتم تشغيل أنود ني YSZ تحت وقود الهيدروكربون. هذا التفضيل نحو ني لترسب الكربون على الأرجح بسبب النشاط ني العالي في الحفاز لرد فعل على هذه YSZ. من ناحية أخرى، كان على ما يبدو ترسب الكربون أحبطت قبالة كبير عن طريق تعديل باو. كان العلاج التعديل مماثلة لتلك المستخدمة في الأعمال المنجزة من قبل يانغ وآخرون 16، التي وجدت أن باو النانوية على سطح النيكل يمكن درء الكوك في وجود الماء. العمل الحالي يدعم هذه النتائج.

تحليل SPM من التفحيم على ني

كشف تحليل SEM شكل مفصل والتشكل من درجات مختلفة من ترسب الكربون (الشكل 9). كانت بقع داكنة المناطق المحتملة لترسب الكربون أثقل. تم استخدام مجهر القوة الكهروستاتيكية (EFM) بالاشتراك مع AFM للمساعدة في تأكيد ثيق وترسب الكربون الخريطة على مقياس النانو (القرار <نانومتر 25). بينما AFM قادر على التمييز بين الاختلاف الصرفي بعد العلاج الهيدروكربونية، ومقاييس هذه الآلية في وقت واحد القدرة سطح يتم من خلالها تحديد المراحل السطحية (الشكل 3). عند العينة منحازة سلبا أو إيجابا مقابل الحافة، مع احتمال المنطقة السطحية أقل أو أعلى (E-E و بطالة)، على التوالي، وسوف تتحمل أقوى التفاعل مع تلميح. منذ النيكل والكربون، والتي هي موجودة على النوعين العينة، كل له قدرة السطح مختلفة، EFM قادر على فصل عليها. في حالة دراستنا، كان منحازا إلى -1 العينة V فيما يتعلق تلميح، لذلك كان أضعف الكربون التفاعل مع تلميح. كان الضوء في المنطقة كما هو مبين في الشكل 10، وأقل خشونة من حيث التضاريس، وسوى عدد قليل من البقع المرتبطة الكربون تظهر في الصورة هذه الآلية، مؤكدا النسخةذ ترسب الكربون الخفيفة. وفي الوقت نفسه، تفقد المنطقة الداكنة لديه كمية كبيرة من خشونة السطح، ويتم تغطية معظم سطح حسب الأنواع وجود ضعف التفاعل مع طرف، مشيرا الكوك أثقل بكثير.

الأنواع النانو رسم الخرائط على أساس هذه الآلية هو نهج واعدة لدراسة تأثير المواد الحفازة نانو الحجم على تطبيق المواد. على سبيل المثال، من خلال تطبيق باو على سطح النيكل، غيرت التغطية ومورفولوجية بقع الكوك بشكل كبير. من خلال مقارنة الصور التي تظهر EFM ترسب الكربون المحلية السلوك لمحفزات مختلفة، يمكن تقييم قدرات مقاومتهم أفضل.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

الإعلان عن أي تضارب في المصالح.

Acknowledgments

وأيد هذا العمل من قبل المركز HeteroFoaM، والبحوث الحدودي مركز الطاقة الذي تموله وزارة الطاقة الأميركية، مكتب العلوم ومكتب علوم الطاقة الأساسية (BES) تحت رقم جائزة 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Minh, N. Q. Solid oxide fuel cell technology-features and applications. Solid State Ionics. 174 (1-4), 271 (2004).
  2. 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).
  3. Zhan, Z. L., Barnett, S. A. An octane-fueled solid oxide fuel cell. Science. 308, 844 (2005).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. Abernathy, H. W. Investigations of Gas/Electrode Interactions in Solid Oxide Fuel Cells Using Vibrational Spectroscopy [dissertation]. , Georgia Institute of Technology. (2008).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Dresselhaus, M. S., Jorio, A., Hofmann, M., Dresselhaus, G., Saito, R. Perspectives on Carbon Nanotubes and Graphene Raman Spectroscopy. Nano Letters. 10, 751 (2010).
  14. 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).
  15. Cheng, Z., Abernathy, H., Raman Liu, M. Spectroscopy of Nickel Sulfide Ni3S2. Journal of Physical Chemistry C. 111 (49), 17997 (2007).
  16. 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).
  17. Kumar, A., Ciucci, F., Morzovska, A., Kalinin, S., Jesse, S. Measuring oxygen reduction/evolution reactions on the nanoscale. Nature Chemistry. 3, 707 (2011).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. Coffey, D. C., Ginger, D. S. Time-resolved electrostatic force microscopy of polymer solar cells. Nature Materials. 5 (9), 735 (2006).
  23. Nakamura, M., Yamada, H. Roadmap of Scanning Probe Microscopy. Morita, S. , Springer. Berlin. (2007).
  24. Girard, P. Electrostatic force microscopy: principles and some applications to semiconductors. Nanotechnology. 12, 485 (2001).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).

Tags

مواد العلوم، العدد 67، الكيمياء، الهندسة الكهربائية، الفيزياء، الكيمياء الكهربائية، المواد الحفازة (الكيميائية)، التحليل الكيميائي الطيفية (التطبيق)، والمجاهر، خلايا الوقود، رامان، AFM، SOFC، السطحية، الكهربائي
التحقيق ورسم الخرائط أسطح الكهربائي في خلايا الوقود الصلبة أكسيد
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Blinn, K. S., Li, X., Liu, M.,… More

Blinn, K. S., Li, X., Liu, M., Bottomley, L. A., Liu, M. Probing and Mapping Electrode Surfaces in Solid Oxide Fuel Cells. J. Vis. Exp. (67), e50161, doi:10.3791/50161 (2012).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter