Katı Oksit Yakıt Hücreleri Elektrot Yüzeyler Sondalama ve Haritalama
Summary
Biz birden karakterizasyon teknikleri eş zamanlı performans (tanır katı oksit yakıt hücreleri (SOFCs), elektrotların yüzeyi tanımlamak için benzersiz bir platform sunmak<em> Örneğin in situ</em> Raman spektroskopisi ve elektrokimyasal ölçümler yanında prob mikroskobu). Bu analizlerden Tamamlayıcı bilgi SOFCs için daha iyi materyallerin rasyonel tasarım içgörüler sağlayan, elektrot reaksiyon ve yıkım mekanizmaları daha derin bir anlayış doğru ilerlemek için yardımcı olabilir.
Abstract
Katı oksit yakıt hücreleri (SOFCs) potansiyel hidrojen 1-7 ötesinde yakıtlar geniş bir yelpazede kullanımı için en verimli ve maliyet-etkin bir çözümdür. SOFCs ve genel olarak enerji depolama ve dönüşüm cihazlarda pek çok kimyasal ve enerji dönüşüm süreçlerinin oranları performansı öncelikle elektrot yüzeyleri boyunca yük ve kütle transferi ve arabirimleri arasında sınırlıdır. Ne yazık ki, bu süreçlerin mekanistik anlayış nedeniyle hala büyük ölçüde in situ koşullarda altında bu süreçlerin karakterize zorluğu, eksiktir. Bu bilgi açığını SOFC ticarileştirilmesi için bir baş engeldir. Elektrot reaksiyonlarının ilgili yüzey kimyaları sondalama ve haritalama araçlarının geliştirilmesi yüzey işlemlerinin mekanizmaları çözülüyor ve daha verimli enerji depolama ve dönüşüm 2 için yeni elektrot malzemesi, rasyonel tasarım elde etmek için hayati önem taşımaktadır. In situ olarak nispeten az sayıda <arasında/ Em> yüzey analizi yöntemleri, Raman spektroskopisi SOFC anot performans ve yıkımı 8-12 alakalı kimyasal süreçleri tanımlamak için idealdir, yüksek sıcaklıklar ve sert ortamlarda bile yapılabilir. Ayrıca böylesi bir elektro doğrudan bir ilişki bir çalışma hücre kimyası ve yüzey sağlayan, elektrokimyasal ölçüm ile birlikte de kullanılabilir. Çünkü karbon birikimi ile 8 anot performans düşüşü, 10, 13, 14 ("kok") ve sülfür zehirlenmesi 11 dahil olmak üzere ilgili türler, duyarlılığın önemli anot reaksiyon mekanizmaları pin-işaretleme için yerinde Raman haritalama ölçümleri Uygun, yararlı olacaktır 15 ve yüzey modifikasyonları bu yıkımı 16 savmak hangi şekilde. Mevcut iş bu yeteneği yönünde önemli ilerleme gösteriyor. Buna ek olarak, prob mikroskobu (SPM) tarama teknikleri ailesinin elektro sorgulamak için özel bir yaklaşım sağlarde nano çözünürlüklü yüzey. Rutin AFM ve STM tarafından toplanan yüzey topografya yanı sıra, yerel elektronik devletler, iyon difüzyon katsayısı ve yüzey potansiyeli gibi diğer özellikler de 17-22 incelenebilir. Bu çalışmada, elektrokimyasal ölçümler, Raman spektroskopisi ve SPM bir yitriya stabilize zirkonya (YSZ) elektrolit gömülü bir Ni örgü elektrot oluşan bir roman testi elektrot platformu ile birlikte kullanılmıştır. H 2 S içeren yakıt altında Hücre performans testi ve empedans spektroskopi karakterize edildi ve Raman haritalama fazla sülfür zehirlenmesinin doğasını aydınlatmak için kullanıldı. Yerinde Raman izlenmesi koklaşabilir davranışını araştırmak için kullanılmıştır. Nihayet, atomik kuvvet mikroskobu (AFM) ve elektrostatik kuvvet mikroskobu (EFM) daha nano karbon birikimi görselleştirmek için kullanılmıştır. Bu araştırma, biz SOFC anot daha eksiksiz bir resim üretmek için arzu.
Protocol
Representative Results
Discussion
Sülfür Zehirlenmesi Analizi
Şekil 5'te gösterildiği gibi empedans spektrumu sülfür zehirlenmesi ziyade malzeme kütlesinin etkileyen bir göre bir yüzey veya arayüzey fenomen olduğunu göstermektedir. Özellikle, Ni ağ elektrodu (Şekil 6) hızlı zehirlenme yakıt gazı kükürt ve daha sonraki adsorpsiyon Ni elektrot ile doğrudan maruz kalma sonucu olabilir; gaz difüzyon durumunda olduğu gibi fazla olduğu gibi bu süreç hızının sınırl…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma HeteroFoaM Merkezi, ABD Enerji Bakanlığı, Bilim Ofisi Ödülü Numarası DE-SC0001061 altında Temel Enerji Bilimler Dairesi (BES) tarafından finanse edilen bir Enerji Frontier Araştırma Merkezi tarafından desteklenmiştir.
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).
