Sondering och Mappa elektrodytorna i fast bränsleceller oxid
Summary
Vi presenterar en unik plattform för att karakterisera elektrodytorna i fasta bränsleceller oxid (SOFCs) som tillåter samtidig fullgör flera karakteriseringstekniker (<em> T.ex. in situ</em> Raman-spektroskopi och svepspetsmikroskopi tillsammans elektrokemiska mätningar). Kompletterande information från dessa analyser kan bidra till att främja mot en djupare förståelse av elektrod reaktion och mekanismer nedbrytning, vilket ger insikter i rationell design av bättre material för SOFCs.
Abstract
Solid Oxide Fuel celler (SOFCs) är potentiellt den mest effektiva och kostnadseffektiva lösning för utnyttjande av en mängd olika bränslen utöver vätgas 1-7. Prestandan hos SOFCs och graden av många kemiska och energi omvandlingsprocesser i energilagring och enheter konvertering i allmänhet begränsas i första hand av laddning och masstransport längs elektrodytorna och över gränssnitt. Tyvärr är mekanistisk förståelse av dessa processer saknas fortfarande, vilket främst beror på svårigheten att karakterisera dessa processer under in situ-förhållanden. Denna kunskapslucka är en chef hinder för SOFC kommersialisering. Utvecklingen av verktyg för sondering och kartlägga ytan kemiska relevanta för elektroden reaktioner är avgörande för reda ut mekanismerna bakom ytan processer och att uppnå en rationell design av nya elektrodmaterial för effektivare lagring av energi och konvertering 2. Bland de relativt få på plats </ Em> ytanalys metoder kan Ramanspektroskopi utföras även med höga temperaturer och hårda atmosfär, vilket gör den idealisk för att karakterisera kemiska processer som är relevanta för SOFC anod prestanda och nedbrytning 8-12. Den kan också användas tillsammans med elektrokemiska mätningar, vilket kan vara direkt korrelation mellan elektrokemi att ytkemi i en operativ cell. Korrekt in situ Raman kartläggning mätningar skulle vara användbart för pin-pekade viktiga anod reaktionsmekanismer på grund av dess känslighet för relevanta arter, inklusive anod prestandaförsämring genom kolavsättning 8, 10, 13, 14 ("koks") och svavel förgiftning 11, 15 och det sätt på vilket ytmodifieringar avvärja denna nedbrytning 16. Det nuvarande arbete visar betydande framsteg mot denna möjlighet. Dessutom ger familjen svepspetsmikroskopi (SPM) tekniker en särskild strategi för att förhöra den elektrode yta med nanoskala upplösning. Förutom ytan topografi som rutinmässigt samlas in av AFM och STM, kan andra egenskaper såsom lokala elektroniska tillstånd, jon diffusionskoefficient och ytpotential också undersökas 17-22. I detta arbete, har elektrokemiska mätningar, Raman-spektroskopi, och SPM används i samband med en ny testelektrod plattform som består av en Ni-nät elektrod inbäddad i en yttriumoxidstabiliserad zirkoniumoxid (YSZ) elektrolyt. Cell prestandatester och impedans spektroskopi enligt bränsle som innehåller H-2 S präglades, och Raman kartläggning användes för att ytterligare belysa natur svavelförgiftning. In situ Raman övervakning användes för att undersöka koksning beteende. Slutligen (EFM) atomkraftsmikroskopi (AFM) och elektrostatisk kraft mikroskopi användes för att ytterligare visualisera kolavsättning på nanonivå. Från denna forskning vill vi skapa en mer fullständig bild av SOFC anoden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Svavelförgiftning Analys
Impedansen spektra som visas i figur 5 tyder på att svavelförgiftning är en yta eller interfacial fenomen snarare än ett som påverkar huvuddelen av materialet. Specifikt, kan den snabbt förgiftning av Ni nätelektroden (figur 6) resulterar från direkt exponering av Ni-elektrod till bränslegasen och efterföljande svavel adsorption, gasdiffusion skulle inte begränsa hastigheten i denna process så mycket som i fallet med en tjo…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av HeteroFoaM Center Energy Frontier Research Center finansieras av US Department of Energy, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences (BES) under Award Nummer 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).
