ייצור טמפרטורה גבוהה של Nanostructured yttria התייצב-Zirconia (YSZ) פיגומים על ידי<em> באתרו</em> Xerogels בניית תבנית פחמן
Summary
פרוטוקול עבור בודה נקבובי, nanostructured התייצב-yttria-zirconia (YSZ) פיגומים בטמפרטורות בין 1000 ° C ו 1400 ° C מוצג.
Abstract
אנחנו מדגימים שיטה עבור ייצור בטמפרטורה גבוהה של zirconia התייצב-yttria נקבובי, nanostructured (YSZ, 8 mol yttria% – 92 zirconia mol%) פיגומים בעלי שטח פנים ספציפי מתכונן עד 80 מ '2 · g -1. בתמיסה מימית של מלח זירקוניום, מלח איטריום, וגלוקוז הוא מעורב עם פרופילן אוקסיד (PO) כדי ליצור ג'ל. הג'ל הוא מיובש בתנאי הסביבה להקים xerogel. Xerogel נלחץ לתוך כדורים ואז sintered באווירת ארגון. במהלך sintering, נוצר קרמיקת שלב YSZ ואת הרכיבים האורגניים מתפרקים, משאירים מאחוריהם פחמן אמורפי. הפחמן שנוצר באתרו משמש כתבנית קשה, שמירה על nanomorphology YSZ שטח פנים גבוהים ב sintering טמפרטורה. הפחמן מוסר לאחר מכן על ידי חמצון באוויר בטמפרטורה נמוכה, וכתוצאה מכך פיגום YSZ נקבובי, nanostructured. הריכוז של תבנית הפחמן ואת שטח הפיגום הסופי יכול להיות שיטתיly מכוון על ידי שינוי ריכוז הגלוקוז סינתזת ג'ל. ריכוז תבנית פחמן היה לכמת באמצעות אנליזה תרמוגרווימטרית (TGA), בגודל שטח באזור נקבובי ההפצה נקבעה על ידי מדידות ספיחה פיסיות, ואת המורפולוגיה התאפיינה באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורקים (SEM). טוהר שלב וגודל הגביש נקבע באמצעות דיפרקציה בקרני רנטגן (XRD). גישת המצאה זו מספקת רומן, פלטפורמה גמישה למימוש אזורי nanomorphologies משטח פיגום תקדים עבור יישומי המרת קרמיקה מבוססת אלקטרוכימי אנרגיה, למשל תא דלק מוצק תחמוצת אלקטרודות (SOFC).
Introduction
תא דלק תחמוצת המוצק (SOFC) טומן בחובו הבטחה גדולה כטכנולוגית המרת אנרגיה חלופית הדור היעיל של חשמל נקי. ההתקדמות 1 ניכר נעשה במחקר ופיתוח של טכנולוגיה זו; עם זאת, שיפורים בביצועי אלקטרודה עדיין נדרשים כדי להשיג מסחור אמין. האלקטרודה קרובה כוללת פיגום קרמיקה נקבובי עם חלקיקי electrocatalytic מקושטים על פני שטח הגרדום. גוף גדול של המחקר התמקד בהגדלת שטח הפנים של חלקיקי electrocatalytic כדי להגדיל את הביצועים, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 אבל יש מחקר מעט מאוד על הגדלת שטח הפנים הגרדום. הגדלת שטח הגרדוםהאזור הוא מאתגר כי הם sintered בטמפרטורות גבוהות, 1100 ° C עד 1500 מעלות צלזיוס.
פיגומים מעובדים על ידי sintering המסורתי בדרך כלל יש שטח פנים ספציפי של 0.1-1 מ '2 · g -1. 8, 9, 10, 11 ישנם כמה דיווחים על הגדלת שטח הפנים הגרדום. במקרה אחד, שטח הפנים של פיגום מדובקקת מסורתי התחזק בעקבות הפירוק ואת המשקעים של משטח הפיגום באמצעות חומצה הידרופלואורית, השיג שטח ספציפי של 2 מ '2 · g -1. 12 בחודש אחר, טמפרטורות גבוהות היו להימנע לחלוטין באמצעות בתצהיר ליזר פעמו, השיגו שטח ספציפי של 20 מ '2 · g -1. 13 הרציונל מאחורי הפיתוח של הטכניקה שלנו הייתה ליצור ייצור בעלות נמוכהתהליך מספק שטח פן פיגום תקדים ומשתמש טמפרטורות sintering מסורתיות כך שהתהליך יכול לאמץ בקלות. בעזרת הטכניקה דיווחה כאן, באזורי משטח פיגום עד 80 מ '2 · g -1 הוכחו תוך מעובדת בטמפרטורות sintering מסורתיות. 14
המחקר שלנו מונע בעיקר על ידי הנדסת אלקטרודה SOFC, אבל הטכניקה היא יותר רחבה החלימה שדות ויישומים אחרים. השיטה באופן כללי, יצירת תבניות פחמן באתרו היא גישה גמישה שיכול לייצר nanostructured, שטח פנים גבוהים חומרים קרמיים מעורבת-מתכת באבקה או טופס פיגום ספוגי. זה הוא גמיש כי רכב הקרמיקה המעורבת-המתכת, שטח פנים, נקבובי, ואת הגודל נקבובי כולם יכולים להיות מכוון באופן שיטתי. טמפרטורות גבוהות לעתים קרובות יש צורך ליצור את השלב הרצוי בקרמיקה מעורבת-מתכת, וכן גישה זו שומרת קרמיקה nanomorphology while המאפשר אחד כדי לבחור בעצם כל טמפרטורת עיבוד.
שיטה זו כרוכה הסינתזה של ג'ל מבוסס-תחמוצת-פרופילן היברידי אורגני-אורגני, עם ורכב להגדיר היטב של יוני מתכת ויחס של אורגני לתוכן אורגני. הג'ל הוא מיובש בתנאי הסביבה להקים xerogel. Xerogel הוא sintered באווירה ארגון בטמפרטורה הרצויה. לאחר החימום, המרכיב האורגני מתפרק משאירים מאחוריהם תבנית פחמן באתרו, אשר נשאר למשך sintering. תבנית פחמן מוסרת לאחר מכן על ידי חמצון בטמפרטורה נמוך באוויר, וכתוצאה מכך nanostructured, קרמיקה באזור גבוה משטח.
Protocol
Representative Results
Discussion
עם גישת בניית תבנית באתרו זה פחמן, אחד יכול ליצור ולשמר nanomorphology ב-תחמוצות מעורבת מתכת בטמפרטורות sintering פיגום קרמיקה מסורתית. תחומי השטח וכתוצאה מכך הם עד 80 פעמים גבוהות יותר מאשר פיגומים מדובקקת מסורתי ועד 4 פעמים גבוהות יותר מאשר פיגומים המפוברקים על ידי טכניקו?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי המחלקה לכימיה ווייק פורסט ואת שרות מרכז יער עבור אנרגיה, סביבה, וקיימים (Cees). אנו מודים צ'ארלס מוני ואת מתקן מכשור אנליטי של צפון קרוליינה סטייט לקבלת סיוע הדמיה SEM.
Materials
| Zirconium (IV) chloride, 99.5+% | Alfa Aesar | 12104 | Air sensitive |
| Yttium (III) nitrate hexadydrate, 99.9% | Alfa Aesar | 12898 | Oxidizer |
| D+ Glucose Anhydrous, ≥ 99.5% | US Biological Life Sciences | G3050 | |
| (±)-Propylene Oxide, ≥ 99% | Sigma Aldrich | 110205 | Extremely flammable |
| Ethanol 200 Proof | Decon Laboratories, Inc. | 2716GEA | |
| Argon, (99.997%) | Airgas | AR 300 | Industrial grade |
References
- Badwal, S. P. S., Giddey, S. S., Munnings, C., Bhatt, A. I., Hollenkamp, A. F. Emerging electrochemical energy conversion and storage technologies. Front. Chem. 2 (79), 1-28 (2014).
- Gross, M. D., Vohs, J. M., Gorte, R. J. An examination of SOFC anode functional layers based on ceria in YSZ. J. Electrochem. Soc. 154 (7), B694-B699 (2007).
- Smith, B. H., Gross, M. D. A highly conductive oxide anode for solid oxide fuel cells. Electrochem. Solid-State Lett. 14 (1), B1-B5 (2011).
- Vo, N. M., Gross, M. D. The effect of vanadium deficiency on the stability of Pd and Pt catalysts in lanthanum strontium vanadate solid oxide fuel cell anodes. J. Electrochem. Soc. 159 (5), B641-B646 (2012).
- Sholklapper, T. Z., Jacobson, C. P., Visco, S. J., De Jonghe, L. C. Synthesis of dispersed and contiguous nanoparticles in solid oxide fuel cell electrodes. Fuel Cells. 8 (5), 303-312 (2008).
- Jiang, Z., Xia, C., Chen, F. Nano-structured composite cathodes for intermediate-temperature solid oxide fuel cells via an infiltration/impregnation technique. Electrochim. Acta. 55 (11), 3595-3605 (2010).
- Zhan, Z., Bierschenk, D. M., Cronin, J. S., Barnett, S. A. A reduced temperature solid oxide fuel cell with nanostructured anodes. Energy Environ. Sci. 4, 3951-3954 (2011).
- Gross, M. D., Vohs, J. M., Gorte, R. J. Recent progress in SOFC anodes for direct utilization of hydrocarbons. J. Mater. Chem. 17, 3071-3077 (2007).
- Gross, M. D., Carver, K. M., Deighan, M. A., Schenkel, A., Smith, B. M., Yee, A. Z. Redox stability of SrNbxTi1-xO3-YSZ for use in SOFC anodes. J. Electrochem. Soc. 156 (4), B540-B545 (2009).
- Savaniu, C. D., Irvine, J. T. S. La-doped SrTiO3 as anode material for IT-SOFC. Solid State Ionics. 192 (1), 491-493 (2011).
- Choi, S., Shin, J., Kim, G. The electrochemical and thermodynamic characterization of PrBaCo2-xFexO5+δ (x=0,0.5,1) infiltrated into yttria-stabilized zirconia scaffold as cathodes for solid oxide fuel cells. J. Power Sources. 201, 10-17 (2012).
- Kungas, R., Kim, J. S., Vohs, J. M., Gorte, R. J. Restructuring porous YSZ by treatment in hydrofluoric acid for use in SOFC cathodes. J. Am. Ceram. Soc. 94 (7), 2220-2224 (2011).
- Jung, W., Dereux, J. O., Chueh, W. C., Hao, Y., Haile, S. M. High electrode activity of nanostructured, columnar ceria films for solid oxide fuel cells. Energy Environ. Sci. 5, 8682-8689 (2012).
- Cottam, M., Muhoza, S., Gross, M. D. Preserving nanomorphology in YSZ scaffolds at high temperatures via in situ carbon templating of hybrid materials. J. Amer. Ceram. Soc. 99 (8), 2625-2631 (2016).
- Alves, L. A., Silva, J. B. A., Giulietti, M. Solubility of D-Glucose in Water and Ethanol/Water Mixtures. J. Chem. Eng. Data. 52, 2166-2170 (2007).
- Thommes, M., Smarsly, B., Groenewolt, M., Ravikovitch, P. I., Neimark, A. V. Adsorption hysteresis of nitrogen and argon in pore networks and characterization of novel micro- and mesoporous silicas. Langmuir. 22, 756-764 (2006).
- Chervin, C. N., et al. A non-alkoxide sol-gel method for the preparation of homogeneous nanocrystalline powders of La0.85Sr0.15MnO3. Chem. Mater. 18, 1928-1937 (2006).
- Clapsaddle, B. J., Sprehn, D. W., Gash, A. E., Satcher, J. H., Simpson, R. L. A versatile sol-gel synthesis route to metal-silicon mixed oxide nanocomposites that contain metal oxides as a major phase. J. Non-Crystalline Solids. 350, 173-181 (2004).
- Gash, A. E., et al. Use of epoxides in the sol-gel synthesis of porous iron (III) oxide monoliths from Fe(III) salts. Chem. Mater. 13, 999-1007 (2001).
