Exploration et cartographie des surfaces d'électrodes en piles à oxyde solide
Summary
Nous présentons une plate-forme unique pour caractériser les surfaces d'électrodes dans les piles à combustible à oxyde (SOFC) qui permet d'effectuer simultanément des techniques de caractérisation multiples (<em> Par exemple in situ</em> Spectroscopie Raman et la microscopie à sonde à côté des mesures électrochimiques). Informations complémentaires à partir de ces analyses peuvent aider à avancer vers une compréhension plus profonde de la réaction d'électrode et les mécanismes de dégradation, donnant un aperçu de la conception rationnelle de meilleurs matériaux pour SOFC.
Abstract
Piles à oxyde solide (SOFC) sont potentiellement la solution la plus efficace et rentable à l'utilisation d'une grande variété de combustibles au-delà de l'hydrogène 1-7. La performance des piles SOFC et les taux de nombreux produits chimiques et des procédés de transformation de l'énergie dans le stockage d'énergie et dispositifs de conversion en général sont principalement limitées par le transfert de masse et de charge le long des surfaces d'électrodes et à travers les interfaces. Malheureusement, la compréhension des mécanismes de ces processus sont encore insuffisantes, en raison principalement de la difficulté de caractériser ces processus dans des conditions in situ. Ce manque de connaissances est un obstacle majeur à la commercialisation SOFC. Le développement d'outils pour sonder et cartographier la chimie de surface pertinentes à des réactions d'électrodes est essentielle pour élucider les mécanismes des processus de surface et à la réalisation de la conception rationnelle de nouveaux matériaux d'électrodes pour le stockage d'énergie plus efficace et la conversion 2. Parmi les rares relativement in situ </ Em> Méthodes d'analyse de surface, la spectroscopie Raman peut être réalisée même avec des températures élevées et des ambiances difficiles, le rendant idéal pour la caractérisation des processus chimiques pertinents à la performance anode de SOFC et la dégradation 8-12. Il peut également être utilisé conjointement avec des mesures électrochimiques, permettant potentiellement corrélation directe de l'électrochimie à la chimie de surface dans une cellule d'exploitation. Une bonne cartographie des mesures in situ Raman serait utile pour les broches de pointage importants mécanismes réactionnels anode en raison de sa sensibilité aux espèces concernées, y compris la dégradation des performances anode à 8 dépôt de carbone, 10, 13, 14 («coke») et empoisonnement par le soufre 11, 15 et la manière dont les modifications de surface conjurer cette dégradation 16. Le travail actuel démontre des progrès significatifs vers cette capacité. En outre, la famille de la microscopie à sonde à balayage (SPM) fournit une approche des techniques spéciales pour interroger l'électrode la surface avec une résolution nanométrique. Outre la topographie de la surface qui sont systématiquement recueillis par l'AFM et STM, d'autres propriétés telles que locaux états électroniques, le coefficient de diffusion des ions et le potentiel de surface peut aussi être étudiée 17-22. Dans ce travail, des mesures électrochimiques, la spectroscopie Raman, et SPM a été utilisé en conjonction avec une plate-forme d'électrode nouveau test qui se compose d'une électrode à mailles Ni incorporé dans un oxyde d'yttrium-zirconium stabilisé (YSZ) d'électrolyte. Les essais de performance des cellules et la spectroscopie d'impédance dans de carburant contenant de l'H 2 S a été caractérisée, et la cartographie Raman a été utilisée pour élucider la nature du empoisonnement par le soufre. La surveillance Raman in situ a été utilisée pour étudier le comportement de cokéfaction. Enfin, la microscopie à force atomique (AFM) et microscopie à force électrostatique (EFM) ont été utilisés pour visualiser plus de dépôt de carbone à l'échelle nanométrique. De cette recherche, nous voulons produire une image plus complète de l'anode de SOFC.
Protocol
Representative Results
Discussion
Analyse empoisonnement par le soufre
Les spectres d'impédance représenté sur la figure 5 indiquent que l'empoisonnement au soufre est un phénomène de surface ou interfaciale plutôt que celui qui affecte la masse du matériau. Plus précisément, l'empoisonnement rapide de l'électrode de grille Ni (figure 6) pouvant résulter de l'exposition directe de l'électrode Ni le gaz combustible et de soufre adsorption ultérieure; diffusio…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par le Centre HeteroFoaM, un centre de recherche sur l'énergie Frontier financé par le Département américain de l'énergie, Bureau de la science, Bureau des sciences fondamentales de l'énergie (BES) sous le numéro DE-prix 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 |
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