Высокая температура Изготовление наноструктурные стабилизированный оксидом иттрия оксида циркония-(YSZ) на строительные леса<em> В Ситу</em> Углеродные Шаблонизаторы Ксерогели
Summary
Протокол для изготовления пористых наноструктурных строительных лесов, стабилизированного иттрием циркония (YSZ) при температуре от 1000 ° С до 1400 ° С представлена.
Abstract
Показано , способ изготовления высокотемпературного пористого наноструктурированного, стабилизированного оксидом иттрия диоксида циркония-(YSZ, 8% мол иттрия – 92% мол диоксида циркония) каркасы с перестраиваемой удельной поверхности до 80 м 2 · г -1. Водный раствор циркониевой соли, иттрий соли и глюкозы смешивают с оксидом пропилена (PO) с образованием геля. Гель сушат в условиях окружающей среды с образованием ксерогеля. Ксерогель прессовали в таблетки, а затем спекают в атмосфере аргона. В процессе спекания, а YSZ керамической фазы форма и органические компоненты разлагаются, оставляя позади аморфного углерода. Углерода образуется в месте служит в качестве жесткого шаблона, сохраняя высокую поверхностную площадь YSZ наноморфологии при спекании температуры. Углерода затем удаляют путем окисления на воздухе при низкой температуре, в результате чего в пористой, наноструктурного YSZ строительных лесов. Концентрация шаблона углерода и конечной площадь поверхности строительных лесов может быть систематическойLY настроены путем изменения концентрации глюкозы в синтезе геля. Концентрация шаблона углерода количественно с помощью термогравиметрического анализа (ТГА), распределение площадь поверхности и размер пор определ ли с помощью физических измерений адсорбции и морфология охарактеризована методом сканирующей электронной микроскопии (SEM). чистота фаз и размер кристаллитов определ ли с использованием рентгеновской дифракции (XRD). Этот подход обеспечивает изготовление новый, гибкую платформу для реализации беспрецедентных площади поверхности строительных лесов и nanomorphologies для применения преобразования керамического на основе электрохимической энергии, например , твердотельный окисные топливный элемент (ТОТЭ) электроды.
Introduction
Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) имеют большие перспективы в качестве альтернативной технологии преобразования энергии для эффективной генерации чистой электроэнергии. 1 Значительный прогресс был достигнут в исследованиях и разработке этой технологии; Однако, улучшение характеристик электрода по-прежнему необходимо для достижения надежной коммерциализации. Электрод часто содержит пористый керамический каркас, с электрокаталитическими частицами, украшенных на поверхности строительных лесов. Большое число исследований было сосредоточено на увеличение площади поверхности электрокаталитических частиц , чтобы увеличить производительность, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 , но там очень мало исследований по увеличению площади поверхности строительных лесов. Увеличение поверхности строительных лесовОбласть является сложной задачей, так как они спекают при высоких температурах, 1100 ° C до 1500 ° C.
Каркасы , обработанные с помощью традиционных спекания обычно имеют удельную площадь поверхности 0,1-1 м 2 · г -1. 8, 9, 10, 11 Есть несколько сообщений об увеличении площади поверхности эшафота. В одном случае, площадь поверхности традиционно спеченного помост был усилен за счет растворения и осаждения поверхности строительных лесов с использованием фтористоводородной кислоты, достигая удельную площадь поверхности 2 м 2 · г -1. 12 В другом случае , высокие температуры были полностью избежать с помощью импульсного лазерного осаждения, достигая удельную площадь поверхности 20 м 2 · г -1. 13 Обоснованием развития нашей техники было создание изготовления низкой стоимостипроцесс, который обеспечивает беспрецедентные площади поверхности строительных лесов и использует традиционные агломерационных температуры, так что процесс может быть легко приняты. С сообщалось здесь , техника, строительные леса участки поверхности до 80 м 2 · г -1 было продемонстрировано во время обработки при традиционных температурах спекания. 14
Наше исследование в первую очередь мотивировано ТОТЭ электродной техники, но техника является более широкое применение и в других областях и приложений. Как правило, на месте Метод углерода шаблонный представляет собой гибкий подход , который может производить наноструктурных, высокую площадь поверхности смешанного металлокерамические материалы в виде порошка или пористой форме строительных лесов. Это гибкий в том, что смесь металлов керамическая композиция, площадь поверхности, пористость и размер пор могут быть настроены на систематической основе. Высокие температуры часто необходимы для формирования желаемой фазы в смешанных металлокерамики, и этот подход сохраняет керамический наноморфологии шотя позволяя одному выбирать по существу, любую температуру обработки.
Этот способ включает синтез гибридного неорганического органического пропилена на основе оксиде геля, с хорошо определить стехиометрии ионов металлов и соотношением неорганических к содержанию органических веществ. Гель сушат в условиях окружающей среды с образованием ксерогеля. Ксерогель спекают в атмосфере аргона при желаемой температуре. При нагревании разлагается органический компонент оставляя за собой шаблон углерода в месте, которое остается на время спекания. Шаблон углерода затем удаляют путем окисления при низкой температуре в воздухе, в результате чего в наноструктурных, высокой площадью поверхности керамической.
Protocol
Representative Results
Discussion
При этом на месте углерода шаблонного подхода, можно создать и сохранить наноморфологии в смешанных металлических оксидов на традиционных керамических температурах леска спекания. Полученные площади поверхности до 80 раз выше, чем традиционно спеченных каркасы и до 4 раз выше, че?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана Wake Forest химфака и Wake Forest Центр энергетики, окружающей среды и устойчивого развития (ОЕЭП). Мы благодарим Чарльз Муни и аналитический инструментарий Facility в Университете штата Северной Каролины для помощи при визуализации SEM.
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 |
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., 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).
