חיטוט ומיפוי משטחי אלקטרודה דלק תאי תחמוצת מוצקות
Summary
אנו מציגים פלטפורמה ייחודית לאפיון משטחי האלקטרודה בתאי דלק תחמוצת מוצקים (SOFCs) המאפשרת ביצוע סימולטני של שיטות אפיון מרובות (<em> למשל באתר</em> ספקטרוסקופיית ראמאן ומיקרוסקופיית צד מדידות אלקטרו). מידע משלים מניתוחים אלו עשויים לסייע להתקדם לקראת הבנה מעמיקה יותר של תגובת האלקטרודה ומנגנוני פירוק, מספק תובנה לעיצוב רציונלים של חומרים טובים יותר עבור SOFCs.
Abstract
תאי דלק תחמוצת מוצקים (SOFCs) הם פוטנציאל הפתרון היעיל ביותר וחסכוני לשימוש במגוון רחב של דלקים מעבר מימן 1-7. הביצועים של SOFCs והשיעורים כימיים רבים ותהליכי שינוי אנרגיה באחסון אנרגיה ומרת התקנים באופן כללי מוגבלים בעיקר על ידי תשלום והעברה המונית לאורך משטחי האלקטרודה ומעבר ממשקים. למרבה הצער, הבנת מכניסטית של תהליכים אלה עדיין לוקה בחסר, בעיקר בגלל הקושי באפיון תהליכים אלה תחת תנאים באתרו. פער ידע זה הוא מכשול עיקרי למסחור SOFC. פיתוח כלים לחיטוט ומיפוי chemistries משטח רלוונטי לתגובות האלקטרודה הוא חיוני להתרת המנגנונים של תהליכי פני שטח ולהשגת עיצוב רציונלים של חומרי אלקטרודה חדשות לאחסון אנרגיה יעיל יותר וגיור 2. בין המעטים יחסית באתר </ Em> שיטות ניתוח שטח, ספקטרוסקופיית ראמאן יכולה להתבצע גם עם טמפרטורות גבוהות ואווירות קשות, מה שהופך אותו לאידיאלי לאפיון תהליכים כימיים רלוונטיים לביצועים ושפלה 8-12 האנודה SOFC. זה יכול לשמש גם לצד מדידות אלקטרוכימיים, פוטנציאל המאפשר קשר ישיר של אלקטרוכימיה לעלות על פני שטח כימיה בתא הפעלה. פרופר במדידות מיפוי ראמאן אתרו יהיה שימושי עבור מצביעים פיני מנגנוני תגובות האנודה חשובים בגלל הרגישות שלו למין הרלוונטי, כולל השפלת האנודה ביצועים באמצעות תצהיר פחם 8, 10, 13, 14 ("coking") והרעלת גופרית 11, 15 ואופן שבו שינויים על פני שטח להדוף שפלת 16 זה. העבודה הנוכחית מדגימה התקדמות משמעותית לקראת יכולת זו. בנוסף, המשפחה של מיקרוסקופיית טכניקות בדיקה (SPM) מספקת גישה מיוחדת לחקור אלקטרודה משטח עם רזולוציה בקנה מידה ננומטרי. חוץ מטופוגרפית המשטח שנאספה באופן שגרתי על ידי AFM ו STM, תכונות אחרות כגון מדינות אלקטרוניות מקומיות, מקדם דיפוזיה היון ופוטנציאל פני שטח יכולות להיות גם נחקרו 17-22. בעבודה זו, מדידות אלקטרוכימיים, ספקטרוסקופיית ראמאן, וSPM היו להשתמש בשילוב עם פלטפורמת האלקטרודה מבחן רומן שמורכבת מהאלקטרודה רשת ניקל המוטבעת באלקטרוליט yttria-מיוצב zirconia (YSZ). בדיקות ביצועים וניידים ספקטרוסקופיה עכבה תחת דלק המכיל H 2 S התאפיינו, ומיפוי ראמאן שמש להבהיר את הטבע של הרעלת גופרית נוספת. בניטור ראמאן אתר שמשו כדי לחקור התנהגות coking. לבסוף, מיקרוסקופי כוח אטומי (AFM) ומיקרוסקופי כוח אלקטרוסטטית (EFM) שמשו כדי להמחיש תצהיר פחם נוסף בקנה המידה ננומטרי. ממחקר זה, אנו רוצים לייצר תמונה מלאה יותר של האנודה SOFC.
Protocol
Representative Results
Discussion
ניתוח הרעלת גופרית
ספקטרום העכבה מוצג באיור 5 מראה כי הרעלת גופרית היא משטח או תופעת interfacial ולא אחד שמשפיע על הכמות הגדולה של החומר. באופן ספציפי, ההרעלה המהירה של האלקטרודה רשת ניקל (איור 6) עשויה לנבוע מהחשיפה היש…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי HeteroFoaM המרכז, Frontier אנרגית מרכז מחקר הממומן על ידי משרד אנרגיה האמריקאי, משרד המדע, משרד אנרגיה של יסוד מדעי (BES) תחת מספר פרס 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).
