Fabrication à haute température de nanostructurés yttriée-Zircon (YSZ) par scellants<em> In Situ</em> Carbon Templating xérogels
Summary
Un protocole de fabrication d'échafaudages poreux nanostructuré-zircone yttriée (YSZ) à des températures comprises entre 1000 ° C et 1400 ° C est présentée.
Abstract
Nous démontrons un procédé de fabrication à haute température poreux, de zircone yttriée nanostructurée (YSZ 8% en moles d' oxyde d' yttrium – 92 mol% de zircone) échafaudages avec des surfaces spécifiques réglables jusqu'à 80 m 2 · g -1. Une solution aqueuse d'un sel de zirconium, un sel d'yttrium, et le glucose est mélangé avec de l'oxyde de propylene (PO) pour former un gel. Le gel est séché dans des conditions ambiantes pour former un xérogel. Le xérogel est pressé en pastilles et ensuite frittée dans une atmosphère d'argon. Au cours du frittage, il se forme une phase céramique YSZ et les composants organiques se décomposent, laissant le carbone amorphe. Le carbone formé in situ sert de matrice dure, en conservant une grande surface YSZ nanomorphology à la température de frittage. Le charbon est ensuite éliminé par oxydation à l'air à basse température, ce qui entraîne un échafaudage poreux nanostructuré YSZ. La concentration de la matrice de carbone et de la zone de surface d'échafaudage final peut être systématiquely réglé en faisant varier la concentration de glucose dans la synthèse du gel. La concentration de la matrice de carbone a été quantifiée en utilisant l'analyse thermogravimétrique (TGA), la zone de surface et la distribution la taille des pores a été déterminée par des mesures d'adsorption physique et la morphologie a été caractérisée par microscopie électronique à balayage (SEM). pureté de phase et la taille de cristallite a été déterminée en utilisant la diffraction des rayons X (XRD). Cette approche fournit une nouvelle fabrication, plate – forme flexible pour réaliser les zones de surface et nanomorphologies d'échafaudage sans précédent pour les applications de conversion d' énergie électrochimique à base de céramique, par exemple des électrodes pile à combustible à oxyde solide (SOFC).
Introduction
La pile à combustible à oxyde solide (SOFC) est très prometteur en tant que technologie de conversion d'énergie alternative pour la production efficace d'énergie électrique propre. 1 Des progrès considérables ont été accomplis dans la recherche et le développement de cette technologie; Cependant, l'amélioration des performances des électrodes sont encore nécessaires pour parvenir à la commercialisation fiable. L'électrode comprend souvent un échafaudage poreux en céramique avec des particules électrocatalytiques décoration sur la surface de l'échafaudage. Un grand nombre de recherches se sont concentrées sur l' augmentation de la surface spécifique des particules électrocatalytiques pour augmenter les performances, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 , mais il est très peu de recherches sur l' augmentation de la surface de l' échafaudage. L'augmentation de la surface d'échafaudagezone est difficile, car ils sont frittées à des températures élevées, 1100 ° C à 1500 ° C.
Les échafaudages transformés par frittage classique ont généralement une surface spécifique de 0,1-1 m 2 · g -1. 8, 9, 10, 11 Il y a quelques rapports sur l' augmentation de la surface d'échafaudage. Dans un cas, la surface d'un échafaudage traditionnellement fritté a été renforcée par dissolution et précipitation de la surface de l' échafaudage à l' aide d' acide fluorhydrique, la réalisation d' une zone de surface spécifique de 2 m 2 · g -1. 12 Dans un autre, on évite les températures élevées tout en utilisant un dépôt par laser pulsé, la réalisation d' une zone de surface spécifique de 20 m 2 · g -1. 13 La raison du développement de notre technique était de créer une fabrication à faible coûtprocessus qui fournit des zones de surface d'échafaudage sans précédent et utilise des températures de frittage traditionnelles afin que le processus puisse être adopté facilement. Avec la technique rapportée ici, les surfaces d'échafaudage jusqu'à 80 m 2 · g -1 ont été mises en évidence lors du traitement à des températures de frittage classiques. 14
Notre recherche est principalement motivée par l'ingénierie des électrodes SOFC, mais la technique est plus largement applicable à d'autres domaines et applications. En général, le procédé in situ de modèle de carbone est une approche flexible qui peut produire des matériaux céramiques nanostructurée, grande surface de métal mixte en poudre ou sous forme d'échafaudage poreux. Il est souple en ce que la composition céramique mixte-métal, la surface spécifique, la porosité et la taille des pores peuvent tous être réglé de façon systématique. Des températures élevées sont souvent nécessaires pour former la phase désirée en céramique-métal mixte, et cette approche préserve nanomorphology céramique while permettant de choisir une substance quelconque température de traitement.
Cette méthode implique la synthèse d'un gel à base de propylène-oxyde-hybride inorganique-organique, avec un puits définir stoechiométrie en ions métalliques et le rapport de teneur en matière organique inorganique. Le gel est séché dans des conditions ambiantes pour former un xérogel. Le xérogel est fritté dans une atmosphère d'argon à la température désirée. Lors du chauffage, le composant organique se décompose en laissant un modèle de carbone in situ, qui reste pendant toute la durée du frittage. La matrice de carbone est ensuite éliminé par oxydation à basse température dans l'air, résultant en une nanostructurée, céramique de surface spécifique élevée.
Protocol
Representative Results
Discussion
Avec cette approche in situ de modèle de carbone, on peut créer et conserver nanomorphology en oxydes métalliques mélangés à des températures de frittage d'échafaudage céramique traditionnels. Les surfaces obtenues sont jusqu'à 80 fois plus élevé que les échafaudages traditionnellement fritté et jusqu'à 4 fois plus élevées que les échafaudages fabriqués par des techniques de dépôt complexes. 14 Le système de gel d' oxyde de propylène-glucose est tr?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par la Wake Forest Département de chimie et Wake Forest Centre pour l'énergie, l'environnement et le développement durable (CEES). Nous remercions Charles Mooney et le Fonds pour l'instrumentation analytique de l'Université d'Etat de Caroline du Nord pour l'assistance à l'imagerie 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 |
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).
