Sondeo y Cartografía superficies de los electrodos en pilas de óxido sólido
Summary
Se presenta una plataforma única para la caracterización de superficies de los electrodos en pilas de óxido sólido (SOFC) que permite la realización simultánea de múltiples técnicas de caracterización (<em> Por ejemplo, in situ</em> Espectroscopia Raman y microscopía de sonda junto con las mediciones electroquímicas). Información complementaria a partir de estos análisis puede ayudar a avanzar hacia una comprensión más profunda de la reacción del electrodo y los mecanismos de degradación, y proporciona información en el diseño racional de mejores materiales para pilas SOFC.
Abstract
Sólido células de combustible de óxido (SOFC) son potencialmente la solución más eficiente y rentable para la utilización de una gran variedad de combustibles más allá del hidrógeno 1-7. El rendimiento de SOFC y los tipos de los muchos procesos químicos y de transformación de energía en el almacenamiento de energía y dispositivos de conversión en general se limitan principalmente por la carga y la transferencia de masa a lo largo de superficies de los electrodos y a través de interfaces. Desafortunadamente, la comprensión mecanicista de estos procesos que aún falta, debido en gran parte a la dificultad de caracterizar estos procesos bajo condiciones in situ. Esta brecha de conocimiento es el principal obstáculo a la comercialización SOFC. El desarrollo de herramientas para el mapeo de sondaje y químicas de superficie correspondientes a las reacciones de los electrodos es de vital importancia para desentrañar los mecanismos de los procesos de superficie y al logro de diseño racional de nuevos materiales de electrodos para el almacenamiento de energía más eficiente y conversión 2. Entre los pocos relativamente in situ </ Em> Métodos de análisis de superficie, la espectroscopia Raman se puede realizar incluso con altas temperaturas y ambientes hostiles, lo que es ideal para la caracterización de los procesos químicos relevantes para el desempeño ánodo y SOFC degradación 8-12. También se puede utilizar junto con las mediciones electroquímicas, permitiendo potencialmente correlación directa de la electroquímica a la química de superficie en una célula de operación. Adecuada en mediciones in situ de mapeo Raman sería útil para pin-señalando importantes mecanismos de reacción en el ánodo debido a su sensibilidad a las especies pertinentes, incluyendo la degradación del rendimiento del ánodo a través de la deposición de carbono 8, 10, 13, 14 ("coque") y el envenenamiento de azufre 11, 15 y la manera en que modificaciones de la superficie evitar esta degradación 16. El presente trabajo demuestra un progreso significativo hacia esta capacidad. Además, la familia de microscopía de sonda de barrido (SPM) técnicas proporciona un enfoque especial para interrogar a la electrode superficie con resolución nanométrica. Además de la topografía de la superficie que se recogen habitualmente por AFM y STM, otras propiedades tales como estados electrónicos locales, coeficiente de difusión de iones y el potencial de superficie también pueden ser investigados 17-22. En este trabajo, las medidas electroquímicas, espectroscopia Raman, y SPM se utiliza en conjunción con una novedosa plataforma electrodo de prueba que consta de un electrodo de malla de Ni incrustado en una zirconia estabilizada con itria (YSZ) electrolito. Ensayo de célula rendimiento y la espectroscopía de impedancia bajo de combustible que contiene H 2 S se caracterizó, y el mapeo Raman fue usado para elucidar adicionalmente la naturaleza de envenenamiento por azufre. En la vigilancia de Raman in situ se utilizó para investigar el comportamiento de coquización. Finalmente, microscopía de fuerza atómica (AFM) y microscopía de fuerza electrostática (EFM) fueron utilizados para visualizar adicionalmente la deposición de carbono en la nanoescala. A partir de esta investigación, deseamos producir una imagen más completa del ánodo SOFC.
Protocol
Representative Results
Discussion
Análisis de envenenamiento por azufre
Los espectros de impedancia se muestra en la Figura 5 indican que el envenenamiento por azufre es una superficie o fenómeno interfacial en lugar de uno que afecta a la mayor parte del material. Específicamente, el envenenamiento rápido del electrodo de malla de Ni (Figura 6) podría resultar de la exposición directa del electrodo de Ni para el gas combustible y posterior adsorción de azufre; difusión de gas no limita…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por el Centro HeteroFoaM, una frontera de la energía Centro de Investigación financiado por el Departamento de Energía de EE.UU., Oficina de Ciencia de la Oficina de Ciencias Básicas de la Energía (BES) con el premio número 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).
