High Temperature Fabricage van nanostructuur yttriumoxide-gestabiliseerde Zirconia (YSZ) Steigers door<em> In Situ</em> Carbon Templating xerogels
Summary
Een protocol voor het vervaardigen van poreuze, nanogestructureerde met yttriumoxide gestabiliseerd zirkoniumoxide (YSZ) scaffolds bij temperaturen tussen 1000 ° C en 1400 ° C is weergegeven.
Abstract
We tonen een werkwijze voor de hoge temperatuur vervaardiging van poreuze, nanogestructureerde met yttriumoxide gestabiliseerd zirkoniumoxide (YSZ, 8 mol% yttriumoxide – 92 mol% zirkonia) scaffolds met instelbare specifiek oppervlak tot 80 m2 · g-1. Een waterige oplossing van een zirkoniumzout, yttriumzout en glucose gemengd met propyleenoxide (PO) vorming van een gel. De gel wordt gedroogd onder omgevingsomstandigheden tot een xerogel te vormen. De xerogel wordt tot pellets geperst en vervolgens gesinterd in een argonatmosfeer. Tijdens het sinteren, een YSZ keramische fase vormen en de organische bestanddelen ontleden, met achterlating van amorfe koolstof. De koolstof in situ gevormd dient als een vaste matrijs, toch een hoog oppervlaktegebied YSZ nanomorfologie bij sintertemperatuur. De koolstof wordt vervolgens verwijderd door oxidatie in lucht bij lage temperatuur, wat resulteert in een poreuze, nanogestructureerde YSZ scaffold. De concentratie van de koolstof matrijs en de uiteindelijke scaffold oppervlak kan systematisch wordenly afgestemd door het variëren van de glucoseconcentratie in het gelsynthese. De koolstof templateconcentratie werd gekwantificeerd middels thermogravimetrische analyse (TGA), het oppervlak en poriegrootteverdeling werd bepaald door fysische adsorptie metingen en de morfologie werd gekarakteriseerd met behulp van scanning elektronenmicroscopie (SEM). Fasezuiverheid en kristallietgrootte werd bepaald met röntgendiffractie (XRD). Deze fabricage benadering verschaft een nieuw, flexibel platform voor het realiseren ongekende steiger oppervlakken en nanomorphologies voor keramiek gebaseerde elektrochemische energieomzetting toepassingen zoals vaste oxide brandstofcel (SOFC) elektroden.
Introduction
De vaste oxide brandstofcel (SOFC) is veelbelovend als alternatieve energieomzetting technologie voor de efficiënte productie van schone stroom. 1 aanzienlijke vooruitgang geboekt in het onderzoek en de ontwikkeling van deze technologie; echter, zijn verbeteringen in de elektrode prestaties nog steeds nodig om betrouwbare commercialisering te bereiken. De elektrode vaak poreuze keramische scaffold met elektrokatalytische deeltjes ingericht op het schavot oppervlak. Een grote hoeveelheid onderzoek is gericht op het vergroten van het oppervlak van de elektrokatalytische deeltjes prestaties, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 vergroten, maar er is zeer weinig onderzoek naar het vergroten van het oppervlaktegebied schavot. Het verhogen van het schavot oppervlakgebied uitdaging omdat ze bij hoge temperatuur worden gesinterd, 1.100 ° C tot 1.500 ° C.
Steigers verwerkt door traditionele sinteren hebben gewoonlijk een specifiek oppervlak van 0,1-1 m2 · g-1. 8, 9, 10, 11 Er zijn enkele rapporten over het vergroten van het oppervlaktegebied schavot. In één geval is het oppervlak van een traditioneel gesinterd scaffold was door oplossen en neerslaan van het schavot oppervlak met fluorwaterstofzuur, bereiken een specifiek oppervlak van 2 m2 · g-1. 12 In een andere, werden hoge temperaturen geheel vermeden door gepulste laser depositie, het bereiken van een specifiek oppervlak van 20 m2 · g-1. 13 De grondgedachte achter de ontwikkeling van onze techniek was om een low cost fabricage creërenproces dat ongekende steiger oppervlakten biedt en maakt gebruik van traditionele sintertemperaturen zodat het proces gemakkelijk kan worden vastgesteld. Met de techniek hier beschreven, steiger oppervlak tot 80 m2 · g-1 zijn aangetoond terwijl traditionele sintertemperaturen verwerkt. 14
Ons onderzoek is vooral ingegeven door SOFC elektrodentechniek, maar de techniek is breed toepasbaar op andere gebieden en toepassingen. In het algemeen, de in situ carbon template werkwijze is een flexibele benadering nanostructuur groot oppervlak gemengde metalen keramische materialen in poeder- of poreuze scaffold vorm kan produceren. Het is flexibel doordat de gemengde metaal keramische samenstelling, specifiek oppervlak, porositeit en poriëngrootte kunnen allemaal worden systematisch afgestemd. Hoge temperaturen zijn vaak nodig om de gewenste fase gemengd metaalkeramiek vormen en deze benadering behoudt keramische nanomorfologie while zodat men wezen kiezen voor een verwerkingstemperatuur.
Deze methode omvat de synthese van een hybride anorganische-organische propyleenoxide gebaseerde gel, met een welgedefinieerdheid stoichiometrie van metaalionen en de verhouding van anorganische naar organische bestanddelen. De gel wordt gedroogd onder omgevingsomstandigheden tot een xerogel te vormen. De xerogel wordt gesinterd in een argonatmosfeer bij de gewenste temperatuur. Bij verhitting, de organische component ontleedt achterlating koolstof mal in situ, waarbij blijft voor de duur van het sinteren. De koolstof mal wordt vervolgens verwijderd door oxidatie bij lage temperatuur in lucht, wat resulteert in een nanostructuur groot oppervlak keramiek.
Protocol
Representative Results
Discussion
Met dit in situ carbon templating benadering kan men creëren en behouden nanomorfologie in gemengde metaaloxiden op traditionele keramische scaffold sintertemperaturen. De verkregen oppervlakken zijn tot 80 maal hoger zijn dan traditioneel gesinterd steigers en tot 4 maal hoger dan schavotten vervaardigd door complexe depositietechnieken. 14 De propyleenoxide-glucosegel systeem zeer flexibel voor het afstemmen van de concentratie van de koolstof matrijs, zodat men systematisch controler…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door de Wake Forest Chemistry Department en de Wake Forest Centrum voor Energie, Milieu en Duurzaamheid (CEES). Wij danken Charles Mooney en de analytische apparatuur Facility van de North Carolina State University voor hulp bij SEM beeldvorming.
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 |
Riferimenti
- 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).
