Summary
1,000 डिग्री सेल्सियस और 1400 डिग्री सेल्सियस के बीच तापमान पर झरझरा, nanostructured yttria स्थिर-YSZ (zirconia) scaffolds fabricating के लिए एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत किया है।
Abstract
80 मीटर 2 · जी -1 ट्यूनेबल विशिष्ट सतह क्षेत्रों के साथ scaffolds - हम (92 मोल% zirconia YSZ, 8 मोल% yttria) झरझरा, nanostructured yttria स्थिर-zirconia के उच्च तापमान निर्माण के लिए एक विधि का प्रदर्शन। एक zirconium नमक, yttrium नमक, और ग्लूकोज की एक जलीय घोल एक जेल के रूप में प्रोपलीन ऑक्साइड (पीओ) के साथ मिश्रित है। जेल परिवेश की स्थिति के तहत सुखाया जाता है एक xerogel बनाने के लिए। xerogel छर्रों में दबाया जाता है और फिर एक आर्गन वातावरण में sintered। sintering के दौरान, एक YSZ चीनी मिट्टी चरण रूपों और जैविक घटकों विघटित, अनाकार कार्बन अकेली रह गई। कार्बन सीटू का गठन, एक कठिन टेम्पलेट के रूप में कार्य करता है तापमान sintering पर एक उच्च सतह क्षेत्र YSZ nanomorphology संरक्षण। कार्बन बाद में कम तापमान पर हवा में ऑक्सीकरण से निकाल दिया जाता है, एक झरझरा, nanostructured YSZ पाड़ में जिसके परिणामस्वरूप। कार्बन टेम्प्लेट और अंतिम पाड़ सतह क्षेत्र की एकाग्रता व्यवस्थित किया जा सकता हैly जेल संश्लेषण में ग्लूकोज एकाग्रता में परिवर्तन करके देखते। कार्बन टेम्पलेट एकाग्रता thermogravimetric विश्लेषण (TGA), सतह क्षेत्र और छेद के आकार वितरण शारीरिक सोखना मापन के द्वारा निर्धारित किया गया था का उपयोग कर मात्रा निर्धारित किया गया था, और आकृति विज्ञान स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) का उपयोग कर विशेषता थी। चरण पवित्रता और स्फटिक आकार एक्सरे विवर्तन (XRD) का उपयोग कर निर्धारित किया गया था। यह निर्माण दृष्टिकोण एक उपन्यास, चीनी मिट्टी आधारित विद्युत ऊर्जा रूपांतरण अनुप्रयोगों के लिए अभूतपूर्व पाड़ सतह क्षेत्रों और nanomorphologies को साकार करने के लिए लचीला मंच, जैसे ठोस ऑक्साइड ईंधन सेल (SOFC) इलेक्ट्रोड प्रदान करता है।
Introduction
ठोस ऑक्साइड ईंधन सेल (SOFC) स्वच्छ बिजली के कुशल पीढ़ी के लिए एक वैकल्पिक ऊर्जा रूपांतरण तकनीक के रूप में महान वादा रखती है। 1 काफी प्रगति अनुसंधान और इस तकनीक के विकास में किया गया है; हालांकि, इलेक्ट्रोड प्रदर्शन में सुधार अभी भी विश्वसनीय व्यावसायीकरण को प्राप्त करने की जरूरत है। इलेक्ट्रोड अक्सर पाड़ सतह पर सजाया Electrocatalytic कणों के साथ एक झरझरा चीनी मिट्टी पाड़ शामिल हैं। अनुसंधान के बड़े समूह Electrocatalytic कणों की सतह क्षेत्र में वृद्धि प्रदर्शन, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 को बढ़ाने के लिए पर ध्यान केंद्रित किया है लेकिन वहाँ पाड़ सतह क्षेत्र को बढ़ाने पर बहुत कम शोध है। पाड़ सतह बढ़ाने सेक्षेत्र चुनौतीपूर्ण है क्योंकि वे, 1100 डिग्री सेल्सियस 1500 डिग्री सेल्सियस के लिए उच्च तापमान पर sintered कर रहे हैं।
पारंपरिक sintering द्वारा संसाधित scaffolds आम तौर पर 0.1-1 मीटर 2 · जी -1 का एक विशिष्ट सतह क्षेत्र है। 8, 9, 10, 11 वहाँ पाड़ सतह क्षेत्र बढ़ रही है पर कुछ रिपोर्ट होती हैं। एक मामले में, एक पारंपरिक रूप से निसादित पाड़ की सतह क्षेत्र Hydrofluoric एसिड का उपयोग कर विघटन और पाड़ सतह की वर्षा द्वारा बढ़ाया गया था, 2 मीटर 2 · जी -1 का एक विशिष्ट सतह क्षेत्र को प्राप्त करने। 12 एक और में, उच्च तापमान स्पंदित लेजर बयान का उपयोग करके पूरी तरह बचना थे, 20 मीटर 2 · जी -1 का एक विशिष्ट सतह क्षेत्र को प्राप्त करने। 13 हमारी तकनीक के विकास के पीछे तर्क एक कम लागत निर्माण का निर्माण करना थाप्रक्रिया अभूतपूर्व पाड़ सतह क्षेत्रों प्रदान करता है और पारंपरिक sintering तापमान इतना है कि प्रक्रिया को आसानी से अपनाया जा सकता है का उपयोग करता है। साथ तकनीक यहां सूचना दी, 80 मीटर 2 तक पाड़ सतह क्षेत्रों · जी -1, जबकि परंपरागत sintering तापमान पर कार्रवाई की जा रही प्रदर्शन किया गया है। 14
हमारे शोध मुख्य रूप से SOFC इलेक्ट्रोड इंजीनियरिंग से प्रेरित है, लेकिन तकनीक अधिक मोटे तौर पर अन्य क्षेत्रों और आवेदन करने के लिए लागू होता है। आम तौर पर, सीटू कार्बन templating विधि एक लचीला दृष्टिकोण है कि नैनो संरचित, उच्च सतह क्षेत्र मिश्रित धातु पाउडर या झरझरा पाड़ के रूप में चीनी मिट्टी सामग्री का उत्पादन कर सकते है। ऐसा नहीं है कि मिश्रित धातु चीनी मिट्टी की संरचना, सतह क्षेत्र, सरंध्रता, और छेद के आकार सब व्यवस्थित नियोजित किया जा सकता में लचीला है। उच्च तापमान अक्सर मिश्रित धातु मिट्टी के पात्र में वांछित चरण के रूप में की जरूरत है, और इस दृष्टिकोण चीनी मिट्टी nanomorphology डब्ल्यू को बरकरार रखता हैhile की इजाजत दी एक अनिवार्य रूप से किसी भी प्रसंस्करण तापमान चयन करने के लिए।
इस विधि धातु आयनों की एक अच्छी तरह से परिभाषित stoichiometry और अकार्बनिक के अनुपात कार्बनिक सामग्री के साथ, एक संकर अकार्बनिक कार्बनिक प्रोपलीन-ऑक्साइड आधारित जेल के संश्लेषण शामिल है। जेल परिवेश की स्थिति के तहत सुखाया जाता है एक xerogel बनाने के लिए। xerogel वांछित तापमान पर एक आर्गन वातावरण में sintered है। हीटिंग पर, जैविक घटक सीटू एक कार्बन टेम्पलेट, जो sintering की अवधि के लिए रहता है पीछे छोड़ विघटित हो जाता है। कार्बन टेम्पलेट बाद में हवा में कम तापमान ऑक्सीकरण से निकाल दिया जाता है, एक नैनो संरचित, उच्च सतह क्षेत्र चीनी मिट्टी में जिसके परिणामस्वरूप।
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. तैयार कर रहा है Xerogel हिमपात
- जेल संश्लेषण
- एक 25 मिमी चुंबकीय हलचल बार और विआयनीकृत जल की 113 एमएल 500 एमएल बीकर में जोड़े। चुंबकीय उच्चतम दर है कि एक भंवर नहीं बनाता है, पर विआयनीकृत जल में हलचल।
- धीरे धीरे-धीरे बढ़ाएं विआयनीकृत जल के लिए निर्जल zirconium क्लोराइड की 13.05 ग्राम (0.056 मोल) जोड़ें। बाद निर्जल zirconium क्लोराइड के सभी भंग हो गया है, समाधान के लिए ग्लूकोज की 53.29 ग्राम (0.296 मोल) जोड़ें।
- बाद ग्लूकोज के सभी समाधान में भंग कर दिया गया है, समाधान के लिए yttrium नाइट्रेट hexahydrate की 3.73 ग्राम (0.01 mol) जोड़ें। ~ 700 आरपीएम के लिए चुंबकीय सरगर्मी की दर में वृद्धि और समाधान में भंग करने के लिए yttrium नाइट्रेट hexahydrate के सभी के लिए प्रतीक्षा करें।
- प्रोपलीन ऑक्साइड का 42 एमएल समाधान में जोड़े। प्रोपलीन ऑक्साइड जलीय समाधान के साथ मिश्रण करने के लिए ~ 700 rpm पर सरगर्मी जारी रखें। एक बार जब प्रोपलीन ऑक्साइड जलीय घोल (~ 10) के साथ मिलाया जाता है, चुंबकीय सरगर्मी टी कमीओ ~ 150 आरपीएम।
- सरगर्मी जब तक चुंबकीय हलचल बार जेल के गठन की वजह से बढ़ रहा बंद कर दिया है जारी रखें। जेल आमतौर पर 3 मिनट के भीतर रूपों।
नोट: विआयनीकृत जल के लिए निर्जल zirconium क्लोराइड जोड़ना एक अत्यधिक एक्ज़ोथिर्मिक प्रतिक्रिया होती है और अगर यह बहुत जल्दी से जोड़ा जाता है निर्जल zirconium क्लोराइड कलँगी होगा।
सूत्रीकरण धारा 1.1 में प्रदान की है। कुल धातुओं (zirconium + yttrium) 4.5 की दाढ़ अनुपात करने के लिए एक ग्लूकोज से मेल खाती है: 1। 4.5 1, और:: 1, 2.25: प्रतिनिधि परिणाम अनुभाग 0 के कुल धातुओं दाढ़ अनुपात में ग्लूकोज का डेटा भी शामिल 1। निर्माण में ग्लूकोज की मात्रा एकमात्र समाधान में ग्लूकोज की घुलनशीलता द्वारा सीमित है। संदर्भ के लिए, 20 डिग्री सेल्सियस पर पानी में ग्लूकोज की अधिकतम घुलनशीलता 47.8% wt है। 15
- उम्र बढ़ने और वॉशिंग जेल
- कसकर Parafilm के साथ जेल युक्त बीकर कवर और यह कमरे के तापमान पर कवर बीकर को छोड़ कर 24 घंटे के लिए उम्र करते हैं।
- बीकर से कवर निकालें और जेल के शीर्ष पर तरल छानना।
- जेल युक्त बीकर को पूर्ण इथेनॉल के 300 एमएल जोड़ें, कसकर Parafilm के साथ बीकर कवर, और 24 घंटे के लिए कमरे के तापमान पर कवर बीकर छोड़ दें।
- दोहराएँ कदम 1.2.3 72 घंटा की कुल अवधि में तीन इथेनॉल धोने के लिए कुल दो बार।
- एक Xerogel में जेल सुखाने
- बीकर से जेल निकालें और एक 2 एल चीनी मिट्टी के बरतन evaporating डिश में यह जगह (ऊपर व्यास के बाहर 24 सेमी) एक प्रयोगशाला लेपनी का उपयोग कर।
- एक लेपनी साथ लगभग 1 सेमी एक्स 1 सेमी टुकड़ों में जेल तोड़ने के लिए और evaporating पकवान की सतह पर टुकड़े बाहर फैल गया।
- जेल टुकड़े एक सप्ताह के लिए या जब तक जेल सूखा है परिवेश की स्थिति के तहत सूखे हैं। जेल सूखा माना जाता है जब यह एक ठीक पाउडर में जमीन किया जा सकता है।
- एक मोर्टार और मूसल के साथ एक ठीक पाउडर में xerogel के सभी पीस।
नोट: एक बार जेल शुष्क है, यह हैएक xerogel माना जाता है क्योंकि यह परिवेश की स्थिति के तहत सूख गया था।
- एक गोली में Xerogel दबाने
- xerogel पाउडर का 1 ग्राम 13 मिमी की एक व्यास के साथ एक बेलनाकार गोली प्रेस मरने में रखें।
- हाइड्रोलिक दबाव का उपयोग करना, लागू बल की 22 केएन 90 के लिए एक गोली में xerogel जेल दबाएँ।
- धीरे-धीरे बल प्रेस द्वारा लागू छोड़ें। धीरे धीरे गोली मरने से बाहर गोली बेदखल और फिर ध्यान से गोली निकाल दें।
2. एक अक्रिय वातावरण में Xerogel गोली Sintering
- एक एल्यूमिना या yttria स्थिर zirconia प्लेट पर xerogel गोली रखें और एक ट्यूब भट्ठी के केन्द्र में प्लेट लोड।
- एक तिहाई प्रति मिनट काम कर ट्यूब की मात्रा की दर से आर्गन प्रवाह। यह 750 एमएल के एक आर्गन प्रवाह की दर से मेल खाती है · मिनट -1 इस काम में इस्तेमाल काम कर ट्यूब के लिए। एक धूआं हुड के लिए गैस आउटलेट वेंट।
- कम से कम 15 मिनट के लिए ख आर्गन प्रवाहट्यूब भट्ठी गर्म करने के लिए शुरू करने efore।
- लगातार एक निरंतर दर, कार्यक्रम निम्नलिखित हीटिंग कार्यक्रम के ट्यूब भट्ठी तापमान नियंत्रक पर आर्गन बह जबकि:
- 15 मिनट के लिए कमरे के तापमान पर रखें।
- 5 डिग्री सेल्सियस के एक रैंप दर से 850 डिग्री सेल्सियस के लिए हीट · मिनट -1।
- 2 डिग्री सेल्सियस · मिनट -1 के एक रैंप दर पर वांछित sintering तापमान हीट।
- 2 घंटे के लिए वांछित sintering के तापमान पर रखें।
- 2 डिग्री सेल्सियस की एक रैंप दर से 850 डिग्री सेल्सियस के लिए कूल · मिनट -1।
- 5 डिग्री सेल्सियस · मिनट -1 के एक रैंप दर पर कमरे के तापमान को शांत।
- कार्यक्रम और दो बार जांचें कि ट्यूब भट्ठी अनुभाग 2.3 में प्रदान की अनुसूची निम्नलिखित को गर्म है शुरू करो।
- ट्यूब भट्ठी से गोली निकालें हीटिंग कार्यक्रम पूरा कर लिया है के बाद।
3. निर्धारण कार्बन खाका एकाग्रता
- के बाहर एक ~ 50 मिलीग्राम टुकड़ा काटएक उपयोगिता चाकू के साथ निसादित xerogel गोली और यह एक एगेट मोर्टार और मूसल के साथ एक ठीक पाउडर में पीसने।
- प्लेस ~ 50 thermogravimetric विश्लेषण के लिए एक एल्यूमिना नमूना कप में ठीक पाउडर की मिलीग्राम।
- एक thermogravimetric विश्लेषक (TGA) का उपयोग करना, 10 डिग्री सेल्सियस की दर से नमूना गर्मी · जबकि 100 एमएल की दर से नमूना पर हवा बह रही है मिनट -1 परिवेश के तापमान से 1,200 डिग्री सेल्सियस के लिए · मिनट -1।
- ~ ° के बीच 350 सी और ~ 700 डिग्री सेल्सियस होता है कि वजन में प्रतिशत परिवर्तन की गणना। यह वजन प्रतिशत नमूने में कुल कार्बन सामग्री से मेल खाती है।
नोट: एक वजन वृद्धि 700 डिग्री सेल्सियस श्रृंखला के लिए 350 डिग्री सेल्सियस में होती है, तो एक कार्बाइड चरण का गठन किया है और कार्बन की मात्रा की गणना ज्यादा जटिल है। इस मामले के लिए, साहित्य में वर्णित गणना को देखें। 14 कार्बन मौलिक विश्लेषण पुष्टि करते हैं कि कार्बन की मात्रा TGA गणनाओं के द्वारा मापा जा सकता है इस्तेमाल किया गया है।
4. उच्च सतह तैयार कर रहा है क्षेत्र YSZ मचान कार्बन खाका हटाने से
- एक एल्यूमिना क्रूसिबल में निसादित xerogel गोली रखें।
- क्रूसिबल 2 घंटे के लिए 700 डिग्री सेल्सियस पर एक बॉक्स भट्ठी में रखें।
- ध्यान से स्टेनलेस स्टील क्रूसिबल चिमटा के साथ बॉक्स भट्ठी से गर्म क्रूसिबल को हटा कर उसे झरझरा, सफेद YSZ पाड़ को हटाने से पहले एक घंटे के लिए कमरे के तापमान को ठंडा होने दें।
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
चरण पवित्रता एक्सरे विवर्तन (XRD) के रूप में पहले से Cottam एट अल द्वारा रिपोर्ट द्वारा पुष्टि की गई। कार्बन टेम्पलेट एकाग्रता के एक समारोह के रूप में 14 YSZ पाड़ विशिष्ट सतह क्षेत्र चित्र 1 में दिखाया गया है। एकाग्रता निसादित xerogel गोली में कुल ठोस की मात्रा प्रतिशत के रूप में दिखाया गया है। कार्बन टेम्पलेट एकाग्रता व्यवस्थित जेल निर्माण में ग्लूकोज एकाग्रता में वृद्धि के साथ बढ़ जाती है। 0 से दाढ़ अनुपात धातुओं: 1 से 4.5: जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है, विशिष्ट सतह क्षेत्र व्यवस्थित 10 मीटर 2 · जी -1 से 68 मीटर 2 · जी -1 में वृद्धि ग्लूकोज से बढ़ जाती है 1।
कार्बन टेम्पलेट एकाग्रता TGA (चित्रा 2) का उपयोग कर मात्रा निर्धारित किया गया था। कार्बन टेम्पलेट एकाग्रता 4 wt% और ग्लूकोज के लिए कुल ठोस का 64% wt था: धातुओं1 और 4.5: 0 दाढ़ अनुपात 1। 5.9 ग्राम · सेमी 3 के एक YSZ घनत्व और 2.15 ग्राम · सेमी 3 के एक कार्बन घनत्व वजन प्रतिशत और मात्रा प्रतिशत के बीच परिवर्तित करने के लिए इस्तेमाल किया गया।
3 चित्र के साथ और ग्लूकोज additive के बिना YSZ xerogel की स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) चित्र दिखाता है। दोनों नमूने इसी तरह आर्गन में 1150 डिग्री सेल्सियस पर sintered और 700 डिग्री सेल्सियस पर हवा में बाहर जला दिया गया था। ग्लूकोज additive के साथ YSZ xerogel के कणों कई बार ग्लूकोज additive के बिना उन लोगों की तुलना में छोटे होते हैं। जेल के लिए ग्लूकोज जोड़कर छोटे कणों के गठन उनके उच्च कार्बन सामग्री और सतह क्षेत्र के अनुरूप है।
धातुओं दाढ़ अनुपात: चित्रा 4 ग्लूकोज के एक समारोह के रूप YSZ scaffolds के लिए सबसे मजबूत YSZ चोटी के XRD पैटर्न को दर्शाता है। स्फटिक आकार इन चोटियों और शेर्रर समीकरण का उपयोग कर की गणना की गई थी।स्फटिक आकार ग्लूकोज के रूप में 9 एनएम 12 एनएम 22 एनएम से घटकर: धातुओं दाढ़ अनुपात 0 से बढ़ा दिया गया था: 1 2.25: 1 से 4.5: 1। धातुओं दाढ़ अनुपात: स्फटिक आकार प्रगति में वृद्धि ग्लूकोज के साथ सतह क्षेत्र में मनाया वृद्धि के अनुरूप है।
धातुओं दाढ़ अनुपात: चित्रा 5 ग्लूकोज के एक समारोह के रूप YSZ पाड़ छेद के आकार वितरण को दर्शाता है। सोखना / desorption डेटा एक भौतिक सोखना साधन है, जो 2 एनएम और 14 एनएम के बीच रोमकूप आकार की गणना के लिए सीमित है के साथ एकत्र किया गया था। छेद के आकार की गणना एन 2 सोखना डेटा से वितरण चित्रा 5a में दिखाया गया है। केवल 2.25: 1 ग्लूकोज: धातुओं दाढ़ अनुपात डेटा एक अधिकतम पता चलता है। के बाद से उपकरण का पता लगाने के 14 एनएम pores तक ही सीमित था,, चित्रा 5 ब ताकना एन 2 desorption डेटा से आकार वितरण भी गणना की गई। Desorption डेटा "को दिखाने के लिए कृत्रिम रूप से जाता है4; संकीर्ण छेद के आकार वितरण और "कृत्रिम रूप से" छोटे 16 pores; हालांकि, desorption डेटा सोखना डेटा की तुलना में छेद के आकार वितरण की प्रगति में और अधिक जानकारी प्रदान करता है। 1 ग्लूकोज: सोखना और desorption डेटा के लिए छेद के आकार वितरण में मतभेद सबसे अच्छा 2.25 के लिए तुलना में है चित्रा 5 में धातुओं डेटा। छेद के आकार वितरण के शिखर 7 एनएम के लिए 10 एनएम से बदलाव और वितरण संकरा है। 4.5 Extrapolating: 1 डेटा, यह ध्यान में लीन होना आकार के वितरण के शिखर 16-20 एनएम सीमा में है ग्रहण करने के लिए उचित लगता है। कुल मिलाकर, चित्रा 5 से पता चलता है दोनों छिद्रों की संख्या और छिद्रों के आकार ग्लूकोज में वृद्धि के साथ वृद्धि हुई है: धातुओं दाढ़ अनुपात।
चित्र 1: कार्बन टेम्पलेट एकाग्रता और ग्लूकोज के एक समारोह के रूप YSZ पाड़ सतह क्षेत्र: मीटरदाढ़ अनुपात etals। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
चित्र 2: TGA ग्लूकोज के साथ xerogels के लिए हवा बहने में घटता: की धातु दाढ़ अनुपात 0: 1 और 4.5: 1 2 घंटे के लिए आर्गन में 1150 डिग्री सेल्सियस पर sintered। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
चित्र 3: ग्लूकोज के लिए YSZ मचानों की SEM micrographs: की धातुओं दाढ़ अनुपात (क) 4.5: 1 और (ख) 0: 1। xerogels 2 घंटे के लिए 1150 डिग्री सेल्सियस पर आर्गन में थे sintered और फिर 700 पर हवा में गरम किया सी। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
चित्र 4: धातुओं दाढ़ अनुपात: ग्लूकोज के एक समारोह के रूप YSZ scaffolds के लिए सबसे मजबूत YSZ चोटी के XRD। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
चित्र 5: ग्लूकोज के एक समारोह के रूप YSZ पाड़ Dollimore-चंगा छेद के आकार वितरण: धातुओं दाढ़ अनुपात की गणना से (क) एन 2 सोखना डेटा और (ख) एन 2 desorption डेटा।घ / 55500 / 55500fig5large.jpg "target =" _ blank "> यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
इस सीटू कार्बन templating दृष्टिकोण के साथ, एक बना सकते हैं और पारंपरिक चीनी मिट्टी पाड़ sintering तापमान पर मिश्रित धातु आक्साइड में nanomorphology रक्षा कर सकते हैं। जिसके परिणामस्वरूप सतह क्षेत्रों 80 बार करने के लिए पारंपरिक रूप से निसादित मचानों की तुलना में अधिक और 4 बार जटिल बयान तकनीक द्वारा गढ़े मचानों की तुलना में अधिक कर रहे हैं। 14 प्रोपलीन आक्साइड-ग्लूकोज जेल प्रणाली कार्बन टेम्पलेट की एकाग्रता ट्यूनिंग, एक योजनाबद्ध तरीके से 10 वॉल% कार्बन और लगभग 100 वॉल% कार्बन के बीच कार्बन टेम्पलेट एकाग्रता को नियंत्रित करने के लिए अनुमति देता है के लिए अत्यधिक लचीला है।
वहाँ प्रक्रिया के लिए तीन महत्वपूर्ण कदम हैं। सबसे पहले, प्रोपलीन ऑक्साइड अच्छी तरह से जलीय घोल जेल (चरण 1.1.4) बनाने के लिए के साथ मिश्रित किया जाना चाहिए। यह ~ 700 rpm पर सरगर्मी जबकि प्रोपलीन ऑक्साइड जोड़ा जाता है द्वारा पूरा किया है। समाधान turbulently हड़कंप मच गया नहीं है, तो प्रोपलीन ऑक्साइड वें ऊपर एक अलग परत बनेगीई जलीय घोल और जेल के रूप में नहीं होंगे। दूसरा, काम कर ट्यूब (चरण 2.2) sintering के लिए ट्यूब भट्ठी हीटिंग से पहले आर्गन साथ प्लावित किया जाना चाहिए। यह एक तिहाई प्रति मिनट काम कर ट्यूब की मात्रा की दर से 15 मिनट के लिए आर्गन बह द्वारा पूरा किया है। इसके अलावा, काम कर ट्यूब रिसाव दौरान sintering काम कर ट्यूब में प्रवेश करने से हवा को रोकने के लिए तंग किया जाना चाहिए। हवा से ऑक्सीजन कार्बन डाइऑक्साइड को कार्बन के ऑक्सीकरण से कार्बन टेम्पलेट नष्ट कर देगा। तीसरा, 850 डिग्री सेल्सियस से sintering रैंप दर sintering तापमान को 2 डिग्री सेल्सियस अधिक नहीं होनी चाहिए · मिनट -1। एक तेजी से रैंप दर पाड़ फ्रैक्चर हो जायेगी।
संभव कार्बन टेम्पलेट सांद्रता के बहुमत एक अखंड पाड़ का परिणाम देगा। जाहिर है, वहाँ एक महत्वपूर्ण कार्बन एकाग्रता सीमा, जिस पर एक अखंड पाड़ फार्म नहीं करेगा क्योंकि YSZ कण एक दूसरे से काट दिया जायेगा। हालांकि, इस परिदृश्य भी उपयोगिता है। एक गould एक उच्च कार्बन एकाग्रता जेल से काफी समय से कम सतह क्षेत्र पाड़ लोड और एक ही निष्क्रिय sintering प्रक्रिया यहाँ वर्णित करते हैं। परिणाम एक nanoparticle एकाग्रता जेल निर्माण में ग्लूकोज एकाग्रता द्वारा नियंत्रित में पाड़ की सतह पर सजाया YSZ नैनोकणों होगा।
प्रोपलीन ऑक्साइड जेल संश्लेषण साहित्य में धातुओं की एक बड़ी संख्या के लिए सूचित किया गया है। 17, 18, 19 इसके अलावा, प्रोपलीन ऑक्साइड जेल संश्लेषण कि वांछित है अनिवार्य रूप से किसी भी मिश्रित धातु संरचना में कई धातुओं को समायोजित कर सकते हैं। हालांकि इस काम के लिए प्रेरणा ठोस ऑक्साइड ईंधन सेल इलेक्ट्रोड जरूरतों से प्रेरित था, दृष्टिकोण आवेदनों की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए मिश्रित धातु आक्साइड की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए लागू है।
यह पहचान करने के लिए महत्वपूर्ण है कि sintering तापमान पर्याप्त उच्च, धातु कार्बाइड पीएचए है अगरसत्र बनेगी, बल्कि ऑक्साइड की तुलना में। तापमान जिस पर ऐसा होता है विशिष्ट धातुओं उपयोग कर रहा है पर निर्भर करता है। YSZ के लिए, हमने पाया है कि एक zirconium कार्बाइड चरण के आसपास 1150 डिग्री सेल्सियस के रूप में है और लगभग सभी zirconium की 1,400 डिग्री सेल्सियस से zirconium कार्बाइड के रूप में है शुरू होता है। 14 नीचे 1,300 डिग्री सेल्सियस sintering तापमान के लिए, zirconium के सभी ऑक्सीकरण द्वारा वापस कार्बन टेम्पलेट निष्कासन पर YSZ चरण में बदल जाती। ऊपर 1,300 डिग्री सेल्सियस तापमान sintering के लिए, हम एक monoclinic zirconium ऑक्साइड चरण की थोड़ी मात्रा का निरीक्षण। यह संभावना है कि इसके बाद के संस्करण 1,300 डिग्री सेल्सियस, कुछ zirconium कार्बाइड कणों पर्याप्त yttrium से इस तरह के पर्याप्त तापीय ऊर्जा है कि 700 डिग्री सेल्सियस के लिए हवा में हीटिंग नहीं है YSZ में वापस zirconium की पूरी विघटन के लिए अलग होती है। हमारे समूह वर्तमान में जबकि दौरान sintering कार्बन टेम्पलेट संरक्षण कार्बाइड गठन को कम करने के विकल्प sintering वातावरण विचार कर रहा है।
कुल मिलाकरजैविक अनुपात, धातु के प्रकार, और उच्च तापमान पर उच्च सतह क्षेत्र मिश्रित-धातु-आक्साइड nanomorphologies को साकार करने के लिए मिश्रित धातु रचना: मेरी, प्रोपलीन आक्साइड-ग्लूकोज जेल प्रणाली अकार्बनिक निर्दिष्ट करने के क्षेत्र में उत्कृष्ट लचीलापन है।
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
हम खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है।
Acknowledgments
इस काम Wake Forest रसायन विज्ञान विभाग और जागो ऊर्जा, पर्यावरण के लिए वन केंद्र, और स्थिरता (Cees) द्वारा समर्थित किया गया। हम चार्ल्स मूनी और SEM इमेजिंग के साथ सहायता के लिए उत्तरी कैरोलिना स्टेट यूनिवर्सिटी के विश्लेषणात्मक इंस्ट्रूमेंटेशन सुविधा धन्यवाद।
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
References
- Badwal, S. P. S., Giddey, S. S., Munnings, C., Bhatt, A. I., Hollenkamp, A. F. Emerging electrochemical energy conversion and storage technologies. Front. Chem. 2 (79), 1-28 (2014).
- Gross, M. D., Vohs, J. M., Gorte, R. J. An examination of SOFC anode functional layers based on ceria in YSZ. J. Electrochem. Soc. 154 (7), B694-B699 (2007).
- Smith, B. H., Gross, M. D. A highly conductive oxide anode for solid oxide fuel cells. Electrochem. Solid-State Lett. 14 (1), B1-B5 (2011).
- Vo, N. M., Gross, M. D. The effect of vanadium deficiency on the stability of Pd and Pt catalysts in lanthanum strontium vanadate solid oxide fuel cell anodes. J. Electrochem. Soc. 159 (5), B641-B646 (2012).
- Sholklapper, T. Z., Jacobson, C. P., Visco, S. J., De Jonghe, L. C. Synthesis of dispersed and contiguous nanoparticles in solid oxide fuel cell electrodes. Fuel Cells. 8 (5), 303-312 (2008).
- Jiang, Z., Xia, C., Chen, F. Nano-structured composite cathodes for intermediate-temperature solid oxide fuel cells via an infiltration/impregnation technique. Electrochim. Acta. 55 (11), 3595-3605 (2010).
- Zhan, Z., Bierschenk, D. M., Cronin, J. S., Barnett, S. A. A reduced temperature solid oxide fuel cell with nanostructured anodes. Energy Environ. Sci. 4, 3951-3954 (2011).
- Gross, M. D., Vohs, J. M., Gorte, R. J. Recent progress in SOFC anodes for direct utilization of hydrocarbons. J. Mater. Chem. 17, 3071-3077 (2007).
- Gross, M. D., Carver, K. M., Deighan, M. A., Schenkel, A., Smith, B. M., Yee, A. Z. Redox stability of SrNbxTi1-xO3-YSZ for use in SOFC anodes. J. Electrochem. Soc. 156 (4), B540-B545 (2009).
- Savaniu, C. D., Irvine, J. T. S. La-doped SrTiO3 as anode material for IT-SOFC. Solid State Ionics. 192 (1), 491-493 (2011).
- Choi, S., Shin, J., Kim, G. The electrochemical and thermodynamic characterization of PrBaCo2-xFexO5+δ (x=0,0.5,1) infiltrated into yttria-stabilized zirconia scaffold as cathodes for solid oxide fuel cells. J. Power Sources. 201, 10-17 (2012).
- Kungas, R., Kim, J. S., Vohs, J. M., Gorte, R. J. Restructuring porous YSZ by treatment in hydrofluoric acid for use in SOFC cathodes. J. Am. Ceram. Soc. 94 (7), 2220-2224 (2011).
- Jung, W., Dereux, J. O., Chueh, W. C., Hao, Y., Haile, S. M. High electrode activity of nanostructured, columnar ceria films for solid oxide fuel cells. Energy Environ. Sci. 5, 8682-8689 (2012).
- Cottam, M., Muhoza, S., Gross, M. D. Preserving nanomorphology in YSZ scaffolds at high temperatures via in situ carbon templating of hybrid materials. J. Amer. Ceram. Soc. 99 (8), 2625-2631 (2016).
- Alves, L. A., Silva, J. B. A., Giulietti, M. Solubility of D-Glucose in Water and Ethanol/Water Mixtures. J. Chem. Eng. Data. 52, 2166-2170 (2007).
- Thommes, M., Smarsly, B., Groenewolt, M., Ravikovitch, P. I., Neimark, A. V. Adsorption hysteresis of nitrogen and argon in pore networks and characterization of novel micro- and mesoporous silicas. Langmuir. 22, 756-764 (2006).
- Chervin, C. N., et al. A non-alkoxide sol-gel method for the preparation of homogeneous nanocrystalline powders of La0.85Sr0.15MnO3. Chem. Mater. 18, 1928-1937 (2006).
- Clapsaddle, B. J., Sprehn, D. W., Gash, A. E., Satcher, J. H. Jr, Simpson, R. L. A versatile sol-gel synthesis route to metal-silicon mixed oxide nanocomposites that contain metal oxides as a major phase. J. Non-Crystalline Solids. 350, 173-181 (2004).
- Gash, A. E., et al. Use of epoxides in the sol-gel synthesis of porous iron (III) oxide monoliths from Fe(III) salts. Chem. Mater. 13, 999-1007 (2001).
