Indringende en in kaart brengen van elektrode-oppervlakken in Solid Oxide Fuel Cells
Summary
We presenteren een uniek platform voor het karakteriseren van elektrode oppervlakken in vaste oxide brandstofcel (SOFC) die gelijktijdig uitvoeren van meerdere karakterisatietechnieken (laat<em> Bijv. in situ</em> Raman spectroscopie en scanning probe microscopie langs elektrochemische metingen). Aanvullende informatie uit deze analyses kunnen helpen om verder te gaan in de richting van een meer diepgaande kennis van elektrode reactie en degradatiemechanismen, het verstrekken van inzicht in rationeel ontwerp van betere materialen voor SOFCs.
Abstract
Vaste oxide brandstofcel (SOFC) in potentie de meest efficiënte en kosteneffectieve oplossing voor het gebruik van een grote verscheidenheid aan brandstoffen dan waterstof 1-7. De prestaties van SOFCs en de tarieven van de vele chemische en energie transformatieprocessen in energie-opslag en-omzetting in het algemeen beperkt zijn in de eerste plaats door de lading en massa-overdracht langs elektrode oppervlakken en over interfaces. Helaas is de mechanistische begrip van deze processen nog onvoldoende, voornamelijk als gevolg van de moeilijkheid karakteriseren deze processen onder in situ-omstandigheden. Deze kennis kloof is een hoofd obstakel voor SOFC commercialisering. De ontwikkeling van instrumenten voor het sonderen en het in kaart brengen oppervlakchemie die relevant zijn voor elektrode reacties is van vitaal belang voor het ontrafelen van de mechanismen van het oppervlak processen en tot het bereiken van rationeel ontwerp van nieuwe elektrodematerialen voor een efficiëntere energie-opslag en conversie 2. Onder de relatief weinig in situ </ Em> oppervlakte-analyse methoden, kan Raman spectroscopie worden uitgevoerd, zelfs met hoge temperaturen en agressieve atmosfeer, waardoor het ideaal is voor het karakteriseren van chemische processen die relevant zijn voor SOFC anode prestaties en degradatie 8-12. Het kan ook gebruikt worden naast elektrochemische metingen, waardoor potentieel directe correlatie van elektrochemie aan Chemie Oppervlakte in een operatiekamer cel. Juiste in situ Raman mapping metingen zou nuttig zijn voor pin-wijzend belangrijk anode reactiemechanismen vanwege zijn gevoeligheid voor de betrokken soorten, met inbegrip van anode prestatievermindering door koolstofafzetting 8, 10, 13, 14 ("cokes") en zwavelvergiftiging 11, 15 en de wijze waarop oppervlakmodificaties wenden deze degradatie 16. De huidige werk toont aanzienlijke vooruitgang in de richting van deze mogelijkheid. Bovendien, de familie van scanning probe microscopie (SPM) technieken biedt een speciale benadering van de electro ondervragende oppervlakte met nanoschaal resolutie. Naast de oppervlaktetopografie die routinematig wordt verzameld door AFM en STM, kunnen andere eigenschappen zoals lokale elektronische toestanden, ion diffusiecoëfficiënt en oppervlaktepotentiaal worden onderzocht 17-22. In dit werk werden elektrochemische metingen, Raman spectroscopie, en SPM gebruikt in combinatie met een nieuwe testelektrode platform dat bestaat uit een Ni gaaselektrode ingebed in een yttriumoxide-gestabiliseerd zirkoniumoxide (YSZ) elektrolyt. Celprestatie testen en impedantie spectroscopie onder brandstof met H2S werd gekarakteriseerd en Raman mapping werd gebruikt om verder ophelderen van de aard van zwavelvergiftiging. In situ Raman controle werd gebruikt om cokesvorming gedrag. Tenslotte atomic force microscopie (AFM) en elektrostatische kracht microscopie (EFM) werden gebruikt om koolstofafzetting verder visualiseren op nanoschaal. Uit dit onderzoek, we verlangen naar een vollediger beeld van de SOFC anode produceren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Zwavel Vergiftiging Analyse
De impedantiespectra figuur 5 blijkt dat zwavelvergiftiging een oppervlak of interface-fenomeen niet een die de bulk van het materiaal beïnvloedt. Bepaald zou de snelle vergiftiging van de Ni gaaselektrode (Figuur 6) als gevolg van de directe blootstelling van Ni elektrode brandstof gas en daaropvolgende adsorptie zwavel; gasdiffusie niet beperken de snelheid van dit proces zo veel als in het geval van een dikke poreuze Ni / YSZ ano…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door de HeteroFoaM Center, een Energy Frontier Research Center gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie, Office of Science, Bureau van Basic Energy Sciences (BES) in het kader Award Aantal 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).
