Summary
Vi præsenterer en unik platform til at karakterisere elektrodeoverflader i fastoxidbrændselsceller (SOFC), der tillader samtidig udførelse af flere teknikker til karakterisering (
Abstract
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.
Protocol
1. Fremstilling af en YSZ-embedded Mesh Anode Cell
- Afvej to portioner af 0,2 g YSZ pulver.
- Komprimere én batch YSZ pulver i en cylindrisk rustfrit stålform (13 mm i diameter) med en uniaksial tør presse ved et tryk på 50 MPa i 30 sek.
- Skær en <1 cm stykke af Ni mesh og placere den på overfladen af YSZ disk inde i formen.
- Tilføje den anden 0,2 g YSZ pulver oven på Ni-mesh inde i formen og flade overflade af pulveret under anvendelse af en vædder.
- Uniaksialt tryk Ni mesh indlagt mellem pakninger med YSZ pulver ved et tryk på 300 MPa i 30 sek.
- Uddrag den pressede Ni / YSZ pellet fra formen.
- Affyre pelleten ved 1440 ° C i 5 timer i en zirconia digel ved hjælp af en vandret rørovn med en flydende reducerende gasatmosfære (4% H2 / bal. Ar).
2. Eksponering, Polering, og ændring af Ni Mesh Elektrode
- Mechanicalliere male væk ene side af den sintrede YSZ prøven under anvendelse af 6 um diamantpulver indtil Ni mesh overflade er afsløret.
- Yderligere polere den eksponerede Ni mesh overflade ved anvendelse af 3 um, 1 um og 0,1 um diamant medier i en vand / ethylenglycol suspension i cirka 1 minut ved hvert poleringstrin.
- Ultrasonisk renser poleret prøve i acetone, ethanol og DI-vand i 10 min.
- Tør prøven under en ren, komprimeret luftstrøm.
- For Ni mesh med øget forkoksning modstand, brand prøven ved 1200 ° C i 2 timer i reducerende atmosfære i nærværelse af, men ikke i kontakt med, BaO pulver.
3. Forberedelse og Elektrokemisk Afprøvning af Full Cells
- Brush-maling Ag pasta på den modsatte overflade af YSZ prøve fra Ni-mesh for at fungere som en modelektrode.
- Vedhæft en sammenrullet Ag ledning til modelektrode hjælp Ag pasta.
- Efter tørring af Ag pastaen på sample ved 120 ° C i en ovn i 30 minutter, slutte et 0,2-mm diameter Ag ledning til Ni-mesh hjælp Ag pasta på spidsen.
- Tør prøven igen til 120 ° C i en ovn i 30 minutter.
- Forsegle cellen (Ni mesh ned) på toppen af en 3/8 inch keramiske celle armatur rør ved hjælp Aremco Seal 552 (Ceramabond).
- Tillade forseglingsmidlet at tørre i luft i 2-4 timer.
- Forbinde to isolerede sølvtråde til hver af de to elektrodeledninger.
- Monter celle armaturet i en rørformet ovn, skal du slutte armaturet til en gasledning, og fastgør ledningerne til ordentlig elektrokemisk måleudstyr.
- Begynde at strømme ultra-høj renhedsgrad (99,999%) H2-gas gennem cellen fiksturen med en hastighed på 50 sccm, gassen bør bobles gennem stuetemperatur vand at befugte gassen til 3% vol. H 2 O forud for indgåelsen af cellen fastholdelsesanordningen.
- Opvarme ovnen med monteret celle til 100 ° C i 2 timer, efterfulgt af 260 ° C i 1 time og til sidst 800 ° Cved en ramping hastighed på 1 ° C under fortsat strømmer af H2 under alle varme for at undgå oxidation af Ni elektroden. De første to varmetrin er til hærdning af Ceramabond.
- Holde cellen i ovnen ved 800 ° C i 2 timer for at tillade Ag modelektrode at sintre.
- Afkøl cellen lidt til 767 ° C i elektrokemiske ydeevne testning.
- Efter testen fjernes forsigtigt cellen armaturet fra ovnen til standsning ved stuetemperatur, samtidig med at strømme befugtet H2. (ADVARSEL:! Brug korrekt PV til håndtering af ekstremt varme keramik, såsom termiske handsker og måtter)
- Frigøre cellen fra fiksturen til efter karakterisering ved at løsne elektrodetrådene og omhyggeligt adskille cellen fra Ceramabond tætningsmiddel.
* Figur 1 viser en skematisk afbildning af YSZ-indlejrede Ni maskecelle, sammen med et typisk fotografi og optisk mikrograf af den integreredemesh.
* For vores undersøgelser blev celler elektrokemisk karakteriseret med en EG & G PAR potentiostat (model 273a) kombineret med en Solartron 1255 HF frekvensgang analysator hjælp CorrWare og ZPlot-software (Scribner and Associates). Lineær sweep voltammetri og konstant spænding amperometri blev anvendt til at karakterisere celle ydeevne og impedans spektre blev opnået i frekvensområdet fra 100 kHz til 0,1 Hz med en amplitude på 10 mV. For svovlforgiftning undersøgelsen blev en bekræftet gasblanding af 100 ppm H2S i H2 blandet ind i brændstof-gasstrømmen med ren H2 til opnåelse af en 20 ppm H2S / H2 blanding.
4. Post-test Raman Spectromicroscopic Mapping
- Anbringe celleprøven med mesh anoden vendende opad på den Raman mikroskopbordet plade med tape eller klæbemiddel for at forhindre prøven bevægelser under Raman analyse.
- Brug mikroskopet og XYZ etape tillokalisere en grænseflade grænsen mellem Ni mesh og YSZ substrat.
- Bring laseren i fokus ved at skifte mikroskop filtre og fint justere Z-koordinaten af scenen.
- Indstil Raman-spektrometer til opnåelse af spektre ved knudepunkterne i et rektangulært net overlejre området af grænsefladen med 2 um mellemrum adskiller de knudepunkter. Spektrene bør centreret omkring bølgetal (er) svarer til Raman-tilstand (e) af den pågældende art eller fase (r) af interesse. I dette tilfælde er 980 cm-1 er valgt til SOX.
- For hver spektre, integrere intensiteten over Raman-tilstand (er) af interesse og dividere intensiteten af en flad basislinie med det samme spektrum. Den relative intensitet kan derpå afbildet i et kontur / farvekort med hensyn til dets koordinater.
Raman spectromicroscopy blev udført under anvendelse af en Renishaw RM1000 system udstyret med en Modu-laser StellarPro 514 nm Ar-ion laser (5 mW) og en Thorlabs HRP170 633 nm He-Ne laser (17 mW). Systemet er udstyret med en XYZ motoriseret scene (Prior Scientific H101RNSW) og en 50X objektiv, der tilsammen giver mulighed for ~ 2 um kortlægning opløsning. Renishaw wire 2.0 software blev anvendt i forbindelse med hardware. Data blev behandlet ved hjælp af MATLAB (MathWorks).
5. In situ Raman Overvågning af Kokskul 8
- Vedhæft en YSZ-embedded Ni mesh prøven til Raman kammer scenen ved hjælp af Ag pasta med masken vender opad.
- Varm åbne kammer til 300 ° C i 1 time for at tørre og fjerne Ag-pastasuspension medium.
- Forsegl Raman kammer kasket og anbring den på Raman mikroskop scenen. Brug mikroskop for at finde en Ni / YSZ-grænsefladen som beskrevet i protokol 4.2.
- Begynder strømmer 4% H2 / Ar gas befugtet af vand bobler gennem kammeret på -100 sccm.
- Varm Raman kammer til 625 ° C.
- Bringe laseren i fokusog indsamle baseline Raman scanninger fra pletter på Ni mesh og YSZ-substrat i 150-2000 cm-1 interval.
- Indføre 3-5% C 3 H 8 ind i gasstrømmen og indsamle Raman spektre fra Ni med regelmæssige mellemrum, medens gassen strømmer at observere aflejringen af carbon på overfladen over tid (fx 15 timer).
- Prøven afkøles langsomt (5 ° C / min) i strømmende 4% H2 / Ar.
* Den in situ Raman-analyse blev udført med en specialfremstillet modificeret Harrick Scientific høj temperatur reaktion chamber.The kammer er forsynet med et kvartsvindue cap, gasforbindelser og en afkøling linie. En skematisk og fotografi er tilvejebragt i figur 2.
ADVARSEL: Kølevand skal anvendes til at beskytte det optiske mikroskop på Raman system fra opvarmning!
6. Nanoscale Visualisering af Kokskul af AFM og EFM
- Polish en flade af en 1 cm x 1 mm kvadratisk nikkel kupon ned til karakteren 0,1 um som beskrevet i protokol 2.2.
- I et kvartsrør-foret ovn, udsætte den polerede nikkel kupon til strømmende gas indeholdende 10% C 3 H 8 Baseret Ar ved 550 ° C i 1 min; gassen bør bobles gennem stuetemperatur vand for at befugte gassen til 3 % vol. H2O inden den føres ind kvartsrøret.
- Fjern prøven fra ovnen. Inspicere overflademorfologi ved optisk mikroskopi og SEM.
- Monter prøven på en metal puck med kobber ledende tape for AFM og EFM undersøgelse.
- Saml en morfologi billede ved hjælp AFM i Tapping Mode.
- Installere en n-type Si baseret AFM spids (NSC16) eller en ledende AFM spids (CSC11/Cr-Au) på den elektriske holder (MMEFCH).
- Scanne prøveoverfladen i "Lift-tilstand", hvor spidsen 1. Indsamler de topografiske oplysninger om dets første tur hen over prøvens overflade og thda sanser fasevinklen på sin anden tur til elektrostatisk kraft information. Indstil løftehøjde første omgang til 100 nm, og gradvist aftage den til omtrent den samme værdi af overfladeruheden (20-30 nm).
- Across en klar grænseflade mellem forkoksede og ren region af nikkel overflade, indsamle en række EFM linescans mens du ændrer prøven bias.
- Ved at sammenligne EFM linescans på forskellige prøve skævhed potentialer, identificerer den spænding, hvor fasevinklen kontrasten flips 21.
- Saml et billede med en prøve skævhed, der er 1-2V negativ wrt kontakten punkt, og et andet billede med prøve partiskhed, der er 1-2V positiv wrt kontakten punkt.
- Ved at sammenligne topografi billede, og de to sæt EFM billeder på forskellige prøve bias, opnå en fordeling kort over kulstof og nikkel fase på prøven. * For vores SPM analyser blev en Veeco Nanoscope IIIA system, der anvendes. En skematisering af arbejdsprincip EFM analyse23, 24 er vist i figur 3..
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Svovlforgiftning Analysis
Vist i figur 4 er typiske IV og IP-kurver af en celle med en Ni mesh elektrode under H2 og 20 ppm H2S tilstand. Det er klart, kan indførelsen af selv bare et par ppm H 2 S forgifte Ni-YSZ anode og forårsage betydelig forringelse af ydeevnen.
For at mere intensivt forstå forgiftning adfærd Ni-YSZ anode, blev AC impedansspektroskopi af cellen udført under tomgangsspænding (OCV) betingelser. Vist i figur 5 er Nyquist plot for cellen før og efter anoden blev udsat for brændstoffer indeholdende 0 og 20 ppm H2S på 767 ° C. To-elektrode impedans blev anvendt i denne undersøgelse, da cellens impedans er domineret af den for arbejdselektroden, en referenceelektrode blev derfor ikke nødvendig. Impedans spektre viser, at størstedelen modstand uændret while grænseflademembranen modstand steget dramatisk efter anoden blev udsat for H2S-holdigt brændsel.
Vist i figur 6 er den typiske forgiftning og genvinding opførsel af cellen ved 767 ° C under 20 ppm H2 S. Både forgiftninger og recovery-processer synes at afslutte og nå steady state i løbet af få minutter, som er meget forskellig adfærd fra tykke Ni-YSZ anoder, der tidligere har undersøgt, hvor en meget længere tidshorisont var nødvendig specielt til gendannelsesprocessen 25, 26.
Raman intensitet kortlægning blev anvendt til at opnå mere kemisk oplysninger om, hvordan elektrodeoverfladen interagerer med svovl i brændgas. Figur 7 viser et optisk mikrografi af Ni / YSZ-grænsefladen sammen med en Raman kort over det samme område plotte intensiteten af en associeret tilstand Med så x arter (integreret intensitet mellem 960-1000 cm -1). De arter var udelukkende etsatsen af henholdsvis fysisk observeret på Ni overflade og var generelt koncentrerede sig mere væk fra TPBs.
In situ Raman Analyse af Kokskul på YSZ-indlejrede Ni Mesh
Figur 8a viser et optisk mikrografi af et umodificeret Ni mesh elektrode ved 625 ° C i reducerende atmosfære (for at forhindre uønsket Ni oxidation) umiddelbart før indføring af C 3 H 8. Efter C 3 H 8 begyndte der strømmer ind i kammeret, blev spektre opsamlet periodisk fra en plet på overfladen af en prøve af Ni mesh. Denne plet er præget af den grønne cirkel i figur 8b, der viser masken efter 15 timer af våd C 3 H 8 eksponering ved 625 ° C. Carbon er kun detekterbart på Ni mesh overfladen spektret opsamlet fra substratet (røde kvadrat) viser kun YSZ features (figur 8c). Et plot af ændringen i relative carbon signalintensitet i løbet af de første par timer af udstillingerure tid er vist i figur 8d. Intensiteten af carbon signal steg som kulstof opbygget på overfladen af Ni fra forkoksning. Mængden af detekterbart kulstof signal til sidst fladede ud efter et par timer. En Ni mesh prøve modificeret ved BaO som beskrevet i protokol 2,5 blev underkastet de samme eksperimentelle betingelser. Et mikrofotografi af og Raman spektre indsamles fra overfladen af den modificerede maske prøven ved den samme 15 timers eksponering varemærke som fig 8b/8c er vist i figur 8e og figur 8F, hhv. Carbon-signal var ikke detekterbar, selv om Ni overflade i denne sag.
SPM Analyse af Kokskul på Ni
Inhomogene mørke pletter dannet på overfladen af Ni kuponen efter det blev udsat for C 3 H 8-holdige gas, der er afbildet på SEM-billeder i figur 9. Vist i figur 10, er AFM / EFM billeder takdk fra begge disse lys og mørke områder.
Fig. 1. Skematisk diagram af Ni-mønster elektrodecelle fremstilling og karakterisering 27.
Figur 2. Skematisk af miljøkammer setup for in situ Raman-analyse (til venstre) sammen med et fotografi af kammeret (højre). De gule rør i fotografiet er kølevand linier, som ikke er afbildet i skematisk til venstre.
Figur 3. Skematisk af virkemåden af elektrostatisk kraft mikroskopi (EFM). (A) skematisk viser forspænding applied ned på prøven. (B) Den fasevinkel forskydning af AFM spids plot vs vibrationsfrekvensen, stærk elektrostatisk interaktion pådrager større affedt i fasevinklen. (C) Den skematiske elektronenergi band diagram af prøven (nikkel og carbon) og spidsen, når prøven er forspændt positivt WRT spidsen og (D), når prøven er forspændt negativt WRT spidsen 28.
Figur 4. Typisk udførelse af cellen drives under ren H 2 og H 2 med 20 ppm H 2 S ved 767 ° C 27.
Figur 5. Impedans spektre af cellen med ren H2 og H2 med 20 ppm H2S som brændsel målt ved 767 ° C under tomgangsspænding 27.
Figur 6. Typisk (A) forgiftning og (B) genvinding opførsel af cellen i H2 med 20 ppm H2S ved 767 ° C drevet ved 0,75 V 27.
Fig. 7. Optisk mikrograf af hjørnet af mønstret Ni mesh elektrode i YSZ, der blev drevet i H2S-holdigt brændsel og ældet i luft i 18 dage (til venstre) sammen med en Raman kort over SO x-båndet i samme område (højre ) 27.
Figur 8. (A) Optisk mikrografi af Ni mesh indlejret i YSZ.(B) Samme indlejret Ni mesh efter udsættelse for C 3 H 8-holdig gas ved 625 ° C i 15 timer. (C) Raman-spektre indsamles in situ ud fra de steder, der er markeret med (b) i 15-timers mærke C 3 H 8-holdige gas eksponering. (d) Plot af ændring i carbon Raman signalintensitet opsamlet over tid fra grøn cirkel stedet på Ni mesh markeret med (b). (e) Optisk mikrografi nær grænsefladen af BaO-modificeret Ni mesh og YSZ under det samme C 3 H 8 behandling. (f) Raman-spektre indsamles in situ ved 15 timers varemærke fra pletter markeret i (e). (Gengivet fra 8). Klik her for at se større figur .
Figur 9.SEM billeder af forkoksede Ni viser de morfologiske forskelle forårsaget af inhomogen forkoksning.
Figur 10. (A) AFM billede af lyset, fig 9 og (B) EFM billede af det samme område. (C) AFM billede af det mørke område vist i figur 10 og (D) EFM billede af det samme område. Prøven blev forspændt til-1V i forhold til AFM spids, og således giver en lysere farve (svagere tip-prøve interaktion) til regionen dækket med carbon.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
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. Stærkt adsorberet svovl ved eller nær den tredobbelte fasegrænsen (TPB) mellem Ni, YSZ, og brændsel ville sandsynligvis blokere aktive steder til elektrokemisk oxidation af H2 ved TPB, hvilket resulterer i hurtig tab af ydeevne. På den anden side, under gendannelsesprocessen kan strømmen, som passerer gennem cellen hjælpe den elektrokemiske oxidation af svovlet adsorberet på anodeoverfladen til SO 2, især ved eller nær ved TPB. Once svovl oxideres til SO 2, vil det hurtigt desorbere fra anodeoverfladen, der fører til fornyet eksponering af Ni / YSZ-grænseflade til gasfasen (regenerering af TPBS) og næsten fuldstændig genvinding af udførelsen 26. Dog kan den nuværende ikke være effektiv nok til fuldt ud at fjerne den adsorberede svovl langt væk fra TPB regioner, som fortsat kan være på overfladen, selv efter fuld helbredelse af forestillingen. Denne mulighed blev undersøgt ved ældning elektroden i luft til dannelse af SOx-grupper, som kan påvises ved Raman spektroskopi (figur 7). Raman kortlægning resultater støtter denne hypotese. Derudover kan ingen andre Ni-S faser påvises ved Raman spektroskopi, som støtter tanken om, at forgiftningen processen på den undersøgte temperatur ikke indebærer nye bulk-sulfid fase dannelse.
In situ Raman Analyse af Kokskul på YSZ-indlejrede Ni Mesh
De Raman resultater giver clear bevis for, at koksdannelse sker fortrinsvis på Ni overflader, når en Ni-YSZ anode opereres under en carbonhydridbrændstof. Denne præference mod Ni til carbonaflejring skyldes sandsynligvis Ni er højere katalytisk aktivitet til en sådan reaktion i YSZ. På den anden side blev carbonaflejring tilsyneladende staved off betydeligt ved BaO modifikation. Modifikationen behandling svarede til den, der anvendes i det arbejde, som Yang et al. 16, som fandt, at BaO nanopartikler på Ni overflade kan afværge forkoksning i nærvær af vand. Den nuværende arbejde understøtter disse resultater.
SPM Analyse af Kokskul på Ni
SEM-analyse afslørede detaljeret form og morfologien af de forskellige grader af carbonaflejring (figur 9). De mørkere pletter var sandsynlige regioner af tungere carbonaflejring. Elektrostatisk force microscopy (EFM) blev anvendt i kombination med AFM hjælp til at bekræfte this og kort kulstof aflejring på nanoskala (<25 nm opløsning). Mens AFM er egnet til at adskille morfologisk variation efter carbonhydrid behandling, EFM samtidigt gauges overfladen potentiale hvorigennem overflade faser identificeret (figur 3). Når prøven er forspændt positivt eller negativt mod spidsen, regionen med lavere eller højere overfladepotentiale (E vac-E f), henholdsvis vil medføre større vekselvirkning med spidsen. Eftersom nikkel og carbon, som er de to arter på prøven, har hver en anden overflade potentiale, EFM er i stand til at adskille dem. I tilfælde af vores studie blev prøven forspændt til -1 V i forhold til spidsen, så carbon var mindre effektiv interaktion med spidsen. Som vist i figur 10, den lette region havde mindre ruhed i form af topografi, og kun nogle få pletter, der er forbundet med carbon vises i EFM billedet, hvilket bekræfter very lys carbonaflejring. I mellemtiden er den mørke inspicerede område har en stor mængde af overfladeruhed, og størstedelen af overfladen er dækket af arter med svage vekselvirkning med spidsen, hvilket indikerer meget tungere forkoksning.
Nanoscale arter kortlægningen baseret på EFM er en lovende tilgang til at undersøge virkningen af nano-størrelse katalysatorer påføres materialerne. For eksempel, ved anvendelse af BaO på nikkeloverflade dækningen og morfologi af forkoksning patches ændret drastisk. Ved at sammenligne de EFM billeder, der viser det lokale carbonaflejring opførsel for forskellige katalysatorer, kan deres resistens kapaciteter bedre evalueres.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Ingen interessekonflikter erklæret.
Acknowledgments
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.
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).
