التحقيق ورسم الخرائط أسطح الكهربائي في خلايا الوقود الصلبة أكسيد
Summary
نقدم منصة فريدة لوصف السطوح الصلبة في القطب أكسيد خلايا الوقود (SOFCs) التي تسمح الأداء المتزامن لتقنيات توصيف متعددة (<em> على سبيل المثال في الموقع</em> رامان الطيفي والمجهر التحقيق جنبا إلى جنب مع القياسات الكهروكيميائية). قد المعلومات التكميلية من هذه التحليلات تساعد على التقدم نحو فهم أكثر عمقا للتفاعل القطب وآليات تدهور، وتوفير نظرة ثاقبة التصميم الرشيد للمواد أفضل لSOFCs.
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
Representative Results
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 ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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 of Reagent/Material | 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]. , (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., Morita, S. . Roadmap of Scanning Probe Microscopy. , (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. , (2012).
