Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir. Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.

Summary

1000 ° C ve 1400 ° C arasındaki sıcaklıklarda, gözenekli, nano-yapılı yitria ile stabilize edilmiş zirkonya (YSZ) mn iskeleleri imal edilmesi için bir protokol verilmektedir.

Abstract

Ayarlanabilir yüzey alanları iskeleleri kadar 80 m ^2-g-1 göre – Biz (92 mol% 'si zirkonyum YSZ,% 8 mol itriya) gözenekli, nano-yapılı yitriya stabilize edilmiş zirkonya-yüksek sıcaklık üretimi için bir yöntem ortaya koymaktadır. bir zirkonyum tuzu, itriyum tuzu ve glikoz sulu bir çözeltisi, bir jel oluşturmak için propilen oksit (PO) ile karıştırılır. Jel bir kserojel oluşturacak şekilde çevre koşulları altında kurutulur. kserojel peletler halinde preslenir ve sonra da bir argon atmosferinde sinterlenir. Sinterleme sırasında, bir YSZ seramik faz oluşur ve organik bileşenler, amorf karbon bırakarak ayrışırlar. In situ olarak oluşturulan karbon sıcaklığı sinterleme bir yüksek yüzey alanlı YSZ nanomorphology koruyarak sabit şablon olarak hizmet eder. C, daha sonra, gözenekli, nano yapılı YSZ iskele ile sonuçlanan düşük sıcaklıkta havada oksidasyon yoluyla çıkarılır. C şablonuna ve nihai iskele yüzey alanı konsantrasyonu, sistematik olabilirly jel sentezinde glikoz konsantrasyonunu değiştirilerek ayarlanabilir. C şablon konsantrasyonu, yüzey alanı ve gözenek boyutu dağılımı, fiziksel adsorpsiyon ölçümleri ile belirlenmiştir termogravimetrik analizi (TGA) ile ölçüldü ve morfoloji, tarama elektron mikroskobu (SEM) ile karakterize edilmiştir. Faz saflığı ve kristalit boyutu X-ışını difraksiyonu (XRD) kullanılarak tespit edilmiştir. Bu imalat yaklaşımı, bir yeni, seramik-bazlı elektro kimyasal enerji dönüşüm uygulamaları için benzersiz iskele yüzey alanları ve nanomorphologies gerçekleştirilmesi için esnek bir platform, örneğin, katı oksit yakıt pili (SOFC) elektrotlar içerir.

Introduction

katı oksit yakıt hücresi (SOFC), temiz elektrik gücünün verimli üretimi için alternatif bir enerji dönüştürme teknolojisi gibi büyük gelecek vaat etmektedir. ¹ kaydadeğer ilerleme araştırma ve bu teknolojinin geliştirilmesinde yapılmıştır; Öte yandan, elektrot performansında iyileştirmeler hala güvenilir ticarileştirilebilmesi için ihtiyaç vardır. elektrot genellikle iskele yüzeyi üzerinde dekore elektro parçacıklar ile gözenekli bir seramik yapı iskeleti içerir. Araştırmanın büyük bir vücut performansı, ^{2, 3, 4, 5, 6, 7, 8} geliştirmek için elektrokatalitik parçacıkların yüzey alanını artırmak odaklanmıştır ancak iskele yüzey alanının arttırılması ile ilgili çok az araştırma vardır. iskele yüzeyinin arttırılmasıbunlar 1.500 ° C'ye kadar yüksek sıcaklıklarda 1100 ° C'de sinterlenmiş çünkü alan zordur.

Geleneksel sinterlemeyle iskeleleri, tipik olarak 0.1-1 m ^2-g-1 arasında bir özgül yüzey alanına sahiptir. ^{8, 9, 10, 11} iskele yüzey alanını arttırarak birkaç raporlar vardır. Bir durumda, bir geleneksel sinterlenmiş iskele yüzey alanı, 2 m ^2-g-1 arasında bir özgül yüzey alanı elde, hidroflorik asit kullanılarak erime ve iskele yüzeyinin çökeltme ile geliştirilmiştir. Başka bir ^12, yüksek sıcaklık, 20 m ^2-g-1 arasında bir özgül yüzey alanı elde, darbeli lazer birikimi kullanılarak tamamen kaçınıldı. Bizim tekniğinin gelişmesi arkasında ¹³ mantık düşük maliyetli imalat yaratmaktıgörülmemiş iskele yüzey alanları sağlar ve işlem kolayca kabul edilebilmesi için geleneksel sinterleme sıcaklıkları kullanır süreci. Teknik burada rapor ile 80 ^m2 kadar iskele yüzey alanları-g ^-1 geleneksel sinterleme sıcaklıklarında geçerken işleme gösterilmiştir. ¹⁴

Araştırmamız öncelikle SOFC elektrot mühendisliği motive edilir, ancak teknik daha geniş bir uygulama diğer alanlarda ve uygulamalarda etmektir. Genel olarak, in situ karbon şablon yöntemi nano yapılı, toz ya da gözenekli yapı iskeleti şeklinde yüksek yüzey alanlı karma metal seramik malzeme üretebilen esnek bir sistemdir. Bu karma metal seramik bileşimi, yüzey alanı, gözenek ve gözenek boyutu, tüm sistematik olarak ayarlanabilir olması ile esnektir. Yüksek sıcaklıklar genellikle karma metal seramik istenen faz oluşturmak için gereken ve bu yaklaşım ağırlık seramik nanomorphology muhafaza edilirhile sağlayan bir esas olarak herhangi bir işleme sıcaklığı seçmek.

Bu yöntem, organik içeriğe iyi oluşturan metal iyonlarının orantılar hesabına ve inorganik oranı ile, bir hibrit organik ya da inorganik, propilen-oksit-bazlı jel sentezini kapsamaktadır. Jel bir kserojel oluşturacak şekilde çevre koşulları altında kurutulur. kserojel istenen sıcaklıkta bir argon atmosferinde sinterlenir. Isıtma üzerine, organik bileşenin sinterleme süresince devam yerinde bir karbon şablonu, geride bırakarak parçalanır. C şablonu sonra bir nano yapılı, yüksek yüzey alanlı seramik sonuçlanan havada düşük ısı derecesi ile çıkarılır.

Protocol

1. Hazırlama Kserojel peletler

1. Jel sentezi
   1. 500 mL'lik bir behere 25 mm'lik bir manyetik karıştırma çubuğu ve deiyonize su 113 ml ekleyin. Manyetik bir girdap meydana gelmez en yüksek oranda deiyonize su karıştırın.
   2. Yavaş yavaş küçük artışlarla deiyonize suya susuz zirkonyum klorür 13.05 g (0.056 mol) ilave edin. Susuz zirkonyum klorür tamamı çözünene sonra çözeltiye glukoz 53.29 g (0.296 mol) ilave edin.
   3. glukoz her çözelti içinde çözündükten sonra, çözeltiye itriyum nitrat heksahidrat 3.73 g (0.01 mol) ilave edin. ~ 700 rpm manyetik karıştırma hızını artırmak ve çözelti içinde çözünmesi için itriyum nitrat heksahidrat tüm bekleyin.
   4. çözeltiye propilen oksit 42 mL ekleyin. propilen oksit sulu çözeltisi ile karıştırmak için ~ 700 rpm'de karıştırmaya devam edin. propilen oksit sulu çözeltisi (~ 10 saniye) ile karıştırıldığında, manyetik karıştırma t azaltmak-150 rpm o.
   5. Manyetik bir karıştırma çubuğu jel oluşumuna bağlı hareket etmeyi durdurana kadar karıştırmaya devam edin. Jel, tipik olarak 3 dakika içinde meydana getirir.
      NOTLAR: deiyonize su, susuz zirkonyum klorür eklenmesi ekzotermik bir reaksiyondur ve çok hızlı bir şekilde ilave edilmesi durumunda, susuz zirkonyum klorür plume olacaktır.
      Bölüm 1.1'de verilen bir formülasyon. toplam metallerin (zirkonyum + itriyum) 4.5 molar oranında bir glukoz karşılık gelir: 1. 1, 2.25: 1, ve 4.5: temsili sonuçlar bölümünde 0 toplam metallerin mol oranları glikoz için verileri içeren 1. formülasyon içindeki glikoz miktarı, sadece çözelti içinde glukoz çözünürlüğü ile sınırlıdır. Referans olarak, 20 ° C'da su içinde glikoz en yüksek çözünürlük 47.8 ağırlık% 'dir. ¹⁵
2. Yaşlanma ve Jel Yıkama
   1. Sıkıca Parafilm jel içeren beher kapağı ve oda sıcaklığında kapalı bir beher bırakarak 24 saat boyunca yaş izin.
   2. beher kapağını çıkarın ve jelin üstünde sıvı süzün.
   3. sıkı Parafilm ile beher kapak, jel içeren bekere mutlak etanol 300 mL ve 24 saat için oda sıcaklığında kapalı beher bırakın.
   4. Adımı tekrar 1.2.3 72 saatlik bir toplam süre zarfında, üç etanol yıkama olmak üzere toplam iki kere daha.
3. Bir Kserojel içine Jel Kurutma
   1. beher jel çıkarın ve bir laboratuar ıspatulasını kullanılarak (en dış çapı 24 cm), 2 L'lik porselen buharlaştırılması çanak içine koyun.
   2. Bir spatula ile yaklaşık 1 cm x 1 cm parçalar halinde jel kırmak ve buharlaştırılması tabak yüzeyinden adet üzerinde yayıldı.
   3. Jel parçaları, bir hafta ya da jel kuruyana kadar çevre şartlarında kurumaya olsun. ince bir toz haline zaman jel kuru olarak kabul edilir.
   4. bir havan ve havan tokmağı ile ince toz haline kuru jel tüm öğütün.
      NOT: Jel kuruduktan sonra, öyleortam koşulları altında kurutulmuştur için bir kserojel olarak.
4. Bir Pelet içine kserojeli basılması
   1. 13 mm'lik bir çapa sahip olan silindirik bir pelet pres kalıbına kserojel tozu, 1 g yerleştirin.
   2. Bir hidrolik pres kullanılması, topak haline kserojel jel basın kuvvet 22 kN 90 s geçerlidir.
   3. Yavaşça basın tarafından uygulanan kuvveti serbest bırakın. Yavaş yavaş topak kalıptan dışarı pelet çıkarmak ve daha sonra dikkatli bir şekilde pelet çıkarın.

2. İnert atmosfer içinde Kserojel Pelet Sinterleme

1. Bir alüminyum oksit ya da yitriya stabilize edilmiş zirkonya plakasına kserojel pelet yerleştirin ve bir tüp fırının merkezine plaka yük.
2. üçte bir dakikada çalışan borunun hacmi oranında argon akış. Bu, 750 mL argon akış hızına tekabül min ^-1 Bu çalışmada kullanılan çalışma borusu için. Davlumbaz gaz çıkışını Vent.
3. en az 15 dakika, b, argon akımıtüp fırın ısı başlangıç ​​DONANIMI.
4. sürekli olarak sabit bir hızda, program aşağıdaki ısıtma şemasına tüp fırın sıcaklık kontrol argon akarken:
   1. 15 dakika oda sıcaklığında tutun.
   2. 5 ° C'lik bir rampa oranında 850 ° C'ye kadar ısı min ^-1.
   3. 2 ° C ^dak-1 olan bir rampa oranında arzu edilen sinterleme sıcaklığına ısıtın.
   4. 2 saat için istenen sinterleme sıcaklığında tutun.
   5. 2 ° C'lik bir rampa oranında 850 ° C'ye soğutun min ^-1.
   6. 5 ° C ^dak-1 olan bir rampa oranında, oda sıcaklığına soğutun.
5. programı ve tüp fırın bölüm 2.3'de verilen zamanlama aşağıdaki kadar ısınmakta olduğu bir kez daha kontrol başlatın.
6. Isıtma programı tamamlandıktan sonra boru fırın pelet çıkarın.

3. belirlenmesi karbon Şablon Konsantrasyon

1. üzerinden bir ~ 50 mg parça kesinbir maket bıçağı ile sinterlenmiş kserojel pelet ve bir akik havan ve havan tokmağı ile ince toz haline öğütülür.
2. Termogravimetrik analiz için, bir alüminyum oksit, numune fincan içine ince bir toz yer ~ 50 mg.
3. Termogravimetrik analiz (TGA) kullanılarak, 10 ° C'lik bir oranda örnek ısı min ^-1 çevre sıcaklığından 100 mL'lik bir hızda numune üzerinden hava akarken 1200 ° C'ye kadar min ^-1.
4. 350 ° ~ C arasında ve ~ 700 ° C meydana ağırlığındaki yüzde değişim hesaplayın. Bu ağırlık yüzde numunedeki toplam karbon muhteviyatına tekabül eder.
   Not: bir ağırlık artışı 700 ° C aralığında, 350 ° C'de ortaya çıkarsa, bir karbit fazı oluşur ve karbon içeriğinin hesaplanması daha karmaşıktır. Bu durum için, literatürde tarif hesaplamalara bakınız. ¹⁴ Karbon element analizi karbon içeriği TGA ölçümleri hesaplanabilir onaylamak için kullanılmıştır.

4. Hazırlama Yüksek Yüzey Alanlı YSZ İskele Karbon Şablon Kaldırma tarafından

1. bir alümina kroze içinde sinterlenmiş kserojel pelet yerleştirin.
2. 2 saat boyunca 700 ° C 'de bir kutu fırın içine pota yerleştirin.
3. Dikkatle paslanmaz çelik pota maşa ile kutu fırından sıcak pota kaldırmak ve gözenekli, beyaz YSZ iskeleyi çıkarmadan önce bir saat boyunca oda sıcaklığına soğumaya bırakın.

Representative Results

Discussion

Bu yerinde yapılan karbon şablon yaklaşım ile, bir oluşturabilir ve geleneksel seramik iskele sinterleme sıcaklıklarında karma metal oksitler olarak nanomorphology korur. Elde edilen yüzey alanları katı kadar 80 geleneksel olarak sinterlenmiş iskeleler daha yüksek ve karmaşık depolama teknikleri ile imal iskeleler daha yüksek 4 kat kadar vardır. ¹⁴ propilen oksit-glukoz jel sistemi, bir sistematik 10 hacim% karbon ve hemen hemen 100 hacim% 'si karbon arasında, karbon şablon konsantrasyonunun kontrol etmeye izin veren, karbon şablon konsantrasyonunun ayarlanması için oldukça esnektir.

prosedüre üç kritik adımlar vardır. İlk olarak, propilen oksit jel (Aşama 1.1.4) oluşturmak üzere bir sulu çözelti ile iyice karıştırılmış olmalıdır. Bu propilen oksit ilave edilir ise ~ 700 rpm karıştırma ile gerçekleştirilir. Çözelti çalkantılı karıştırıldı değilse, propilen oksit th üzerinde ayrı bir tabaka oluşturacakE, sulu çözeltisi ve oluşturmaz jeli. İkinci olarak, çalışma borusu (Adım 2.2) sinterleme tüp fırın ısıtmadan önce argon ile yıkanması gerekir. Bu üçte bir dakikada çalışan borunun hacmi bir hızda 15 dakika boyunca argon akışı ile gerçekleştirilmektedir. Buna ek olarak, çalışma borusu Sinterleme sırasında çalışma borusu hava girmesini önlemek için sızdırmaz bir sızıntı olması gerekir. havadan oksijen, karbon dioksit, karbon oksidasyonu ile karbon şablonu yok edecektir. Üçüncü olarak, sinterleme sıcaklığı, 850 ° C sinterleme rampa 2 ° C olmalıdır min ^-1. Daha hızlı bir rampa oranı iskele kırık neden olabilir.

olası karbon şablon konsantrasyonlarının çoğunluğu monolitik iskele ile sonuçlanacaktır. Açıkçası, YSZ taneciklerin birbirinden bağlantısı temin eder, çünkü bir monolitik yapı iskeleti oluşturacak olan kritik bir karbon konsantrasyonu eşik vardır. Ancak, bu senaryo da faydalıdır. Bir cYüksek bir karbon konsantrasyonu, jel ile geleneksel bir düşük yüzey alanı iskele yük ve burada tarif edilen atıl sinterleme prosedürünü gerçekleştirmek ould. Sonuç jel formülasyonu glikoz konsantrasyonu ile kontrol edilen bir nanoparçacık konsantrasyonda iskele yüzeyi üzerine edilmiş YSZ nanopartiküller olacaktır.

Propilen oksit jel sentezler literatürde metallerin bir sayıda rapor edilmiştir. Buna ek olarak ^{17, 18, 19,} propilen oksit jel sentezi aranıyorsa, esas olarak herhangi bir karma metal bileşimde birden fazla metal barındırabilir. Bu iş için motivasyon katı oksit yakıt hücresi elektrot ihtiyaçlarına bağlı iken, yaklaşım, geniş bir uygulama yelpazesi için karma metal oksitler geniş bir aralığı için geçerlidir.

Tanımak önemlidir sinterleme sıcaklığı yeterince yüksek, metal karbür pha iseses yerine oksitten oluşturacaktır. Bunun gerçekleştiği sıcaklık bir uygulamanın kullandığı belirli metaller bağlıdır. YSZ sağlamak için, bir zirkonyum karbid fazı yaklaşık 1,150 ° C oluşturmaktadır ve hemen hemen tüm zirkonyum 1400 ° C zirkonyum karbid biçiminde da başlayacağım bulmuşlardır. 1,300 ° C altında sinterleme sıcaklıkları için ^14, zirkonyum her oksidasyonu ile geri karbon şablon kaldırılması üzerine YSZ fazına geçer. 1300 ° C'nin üzerinde sinterleme sıcaklıkları sağlamak için, bir monoklinik zirkonyum oksit fazın küçük miktarlarda görmekteyiz. 1,300 ° C'nin üzerinde, bir zirkonyum karbid parçacıkları yeterince geriye YSZ içine zirkonyum tamamen çözünmesi için itriyum gibi 700 ° C'ye kadar, havada ısı olmadığını yeterli termal enerjiyi ayrılır olasıdır. Bizim grup şu anda sinterleme sırasında karbon şablonu korurken karbür oluşumunu azaltmak için alternatif bir sinterleme ortamları düşünmektedir.

ToplamdaOrganik oranı, metal tipi ve yüksek sıcaklıklarda yüksek yüzey alanlı karışık metal-oksit nanomorphologies gerçekleştirmek için karma metal bileşimi: Mary, propilen oksit-glukoz jel sistemi inorganik belirten üstün bir esnekliğe sahiptir.

Materials

Zirconium(IV) chloride, 99.5+%	Alfa Aesar	12104	Air sensitive
Yttium(III) nitrate hexadydrate, 99.9%	Alfa Aesar	12898	Oxidizer
D+ Glucose Anhydrous, ≥99.5%	US Biological Life Sciences	G3050
(±)-Propylene Oxide, ≥99%	Sigma Aldrich	110205	Extremely flammable
Ethanol 200 Proof	Decon Laboratories, Inc.	2716GEA
Argon, 99.997%	Airgas	AR 300	Industrial grade