Fabricação de alta temperatura de nanoestruturado ria-Stabilized Zirconia-Scaffolds (ZEI) pela<em> In Situ</em> Carbono Templating xerogéis
Summary
Um protocolo para a fabricação de matrizes porosas, nanoestruturada estabilizada com ítria-zircónia (YSZ), a temperaturas entre 1000 ° C e 1400 ° C, é apresentada.
Abstract
Nós demonstramos um método para a fabricação de alta temperatura poroso, nanoestruturada estabilizada com ítria-zircónia (YSZ, 8% molar de óxido de ítrio – 92% em mol de zircónia) andaimes com áreas de superfície específicas sintonizáveis até 80 m 2 g -1 ·. Uma solução aquosa de um sal de zircónio, ítrio sal, e glicose é misturado com óxido de propileno (PO) para formar um gel. O gel é seco sob condições ambientes para formar um xerogel. O xerogel é pressionado em peletes e depois sinterizadas numa atmosfera de árgon. Durante a sinterização, a YSZ formas de fase de cerâmica e os componentes orgânicos decomponha, deixando atrás de carbono amorfo. O carbono formado in situ serve como um molde duro, preservando uma nanomorfologia área de superfície elevada no YSZ temperatura de sinterização. O carbono é subsequentemente removido através de oxidação ao ar a baixa temperatura, resultando em um poroso, andaime nanoestruturada YSZ. A concentração do molde de carbono e a área de superfície andaime final pode ser sistemáticaly sintonizada por variação da concentração de glucose na síntese de gel. A concentração de molde de carbono foi quantificada usando análise termogravimétrica (TGA), a área de superfície e de distribuição de tamanho de poro foi determinado por meio de medições de adsorção física, e a morfologia foi caracterizada utilizando microscopia electrónica de varrimento (MEV). pureza de fase e o tamanho de cristalite foi determinada utilizando difracção de raios-X (DRX). Esta abordagem proporciona uma nova fabricação, plataforma flexível para realizar a áreas de superfície de andaime sem precedentes e nanomorphologies para aplicações cerâmicas à base de conversão de energia electroquímica, por exemplo, células de combustível de óxido sólido (SOFC) eléctrodos.
Introduction
A célula de combustível de óxido sólido (SOFC) é uma grande promessa como uma tecnologia de conversão de energia alternativa para a geração eficiente de energia eléctrica limpo. 1 Um progresso considerável foi feito na pesquisa e desenvolvimento desta tecnologia; no entanto, melhorias no desempenho eletrodo ainda são necessários para atingir a comercialização de confiança. O eléctrodo compreende muitas vezes uma estrutura de suporte de cerâmica porosa com as partículas electrocatalíticas decorado na superfície do andaime. Um grande corpo de investigação tem-se centrado em aumentar a área da superfície das partículas electrocatalíticas para aumentar o desempenho, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, mas não é muito pouco pesquisa sobre o aumento da área de superfície do andaime. O aumento da superfície do andaimeárea é um desafio porque eles são sinterizados a temperaturas elevadas, 1100 ° C a 1500 ° C.
Andaimes processados por sinterização tradicional têm tipicamente uma área de superfície específica de 0,1-1 m 2 · g -1. 8, 9, 10, 11 Existem alguns relatórios sobre o aumento da área de superfície do andaime. Em um caso, a área de superfície de um andaime tradicional sinterizado foi reforçada por dissolução e precipitação da superfície do andaime utilizando ácido fluorídrico, atingir uma área de superfície específica de 2 m 2 · g -1. 12 Em outro, altas temperaturas foram totalmente evitados por meio de deposição por laser pulsado, alcançar uma área de superfície específica de 20 m 2 g -1 ·. 13 A lógica por trás do desenvolvimento de nossa técnica era criar uma fabricação de baixo custoprocesso que fornece áreas de superfície de andaime sem precedentes e usa temperaturas de sinterização tradicionais para que o processo possa ser adotadas facilmente. Com a técnica descrita aqui, as áreas de superfície de andaime superior a 80 m 2 g -1 · foram demonstradas enquanto está a ser processado a temperaturas de sinterização tradicionais. 14
Nossa pesquisa é motivado principalmente pela engenharia eletrodo SOFC, mas a técnica é mais amplamente aplicável a outras áreas e aplicações. Geralmente, o método in situ de moldação de carbono é uma abordagem flexível que pode produzir nanoestruturada, da área de superfície elevada misto de metais materiais cerâmicos na forma de pó ou estrutura porosa. É flexível em que a composição cerâmica mista-metal, a área de superfície, a porosidade e o tamanho de poro podem ser sintonizado de forma sistemática. As altas temperaturas são muitas vezes necessários para formar a fase desejada em cerâmica mista de metal, e esta abordagem preserva nanomorfologia cerâmica wnquanto permitindo que se possa escolher, essencialmente, qualquer temperatura de processamento.
Este método envolve a síntese de um gel híbrido inorgânico-orgânico baseado no-óxido de propileno, com uma estequiometria bem definir de iões metálicos e a relação de inorgânica para o conteúdo orgânico. O gel é seco sob condições ambientes para formar um xerogel. O xerogel é sinterizado numa atmosfera de árgon à temperatura desejada. Depois do aquecimento, o componente orgânico decompõe-se deixando para trás um modelo de carbono in situ, que permanece durante o período de sinterização. O modelo de carbono é subsequentemente removido por oxidação a baixa temperatura ao ar, resultando num nanoestruturada, elevada área da superfície de cerâmica.
Protocol
Representative Results
Discussion
Com esta abordagem de moldação de carbono in situ, pode-se criar e preservar nanomorfologia em misto metal-óxidos a temperaturas de sinterização de cerâmica andaime tradicionais. As áreas de superfície resultantes são até 80 vezes maior do que andaimes tradicionalmente sinterizados e até 4 vezes mais elevados do que andaimes fabricados por técnicas de deposição de complexos. 14 O sistema de gel de óxido de propileno-glicose é altamente flexível para ajustar a concentraç…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi apoiado pela Floresta Departamento Wake Chemistry and the Wake Centro Florestal de Energia, Meio Ambiente e Sustentabilidade (CEES). Agradecemos Charles Mooney eo Mecanismo Instrumentação Analítica da Universidade Estadual da Carolina do Norte para obter ajuda com imagem 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).
