Sondering og kortlægning elektrodeoverflader i Solid Oxide Fuel Cells
Summary
Vi præsenterer en unik platform til at karakterisere elektrodeoverflader i fastoxidbrændselsceller (SOFC), der tillader samtidig udførelse af flere teknikker til karakterisering (<em> Fx in situ</em> Raman spektroskopi og scanning probe mikroskopi sammen elektrokemiske målinger). Supplerende oplysninger fra disse analyser kan bidrage til at fremme mod en dybere forståelse af elektrode reaktion og nedbrydningsmekanismer, der giver indsigt i rationelt design af bedre materialer til SOFC.
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
Representative Results
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. St?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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 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).
