تصنيع درجة الحرارة عالية من ذات البنية النانومترية اليتريا-استقرت-زركونيا (YSZ) السقالات من قبل<em> في الموقع</em> الكربون النموذجيه Xerogels
Summary
ويرد بروتوكول لافتعال التي يسهل اختراقها، السقالات ذات البنية النانومترية استقرت اليتريا زركونيا (YSZ) في درجات حرارة تتراوح بين 1000 درجة مئوية و 1400 درجة مئوية.
Abstract
ونحن لشرح طريقة لتصنيع درجة حرارة عالية من مسامية، ذات البنية النانومترية استقرت اليتريا زركونيا (YSZ، 8٪ مول اليتريا – 92٪ مول زركونيا) السقالات مع مساحات محددة الانضباطي لغاية 80 م 2 · ز -1. محلول مائي من الملح الزركونيوم والملح الإيتريوم، والجلوكوز هو مختلطة مع أكسيد البروبيلين (PO) لتشكيل مادة هلامية. تجفف هلام في ظل الظروف المحيطة لتشكيل هلامة جافة. يتم الضغط على هلامة جافة في الكريات ثم متكلس في جو الأرجون. خلال تلبد، وYSZ أشكال المرحلة السيراميك والمكونات العضوية تتحلل، تاركة وراءها الكربون غير المتبلور. الكربون شكلت في الموقع بمثابة القالب الصلب، والحفاظ على ارتفاع سطح منطقة YSZ nanomorphology في تلبد درجة الحرارة. تتم إزالة الكربون في وقت لاحق عن طريق الأكسدة في الهواء عند درجة حرارة منخفضة، مما أدى إلى مسامية، سقالة ذات البنية النانومترية YSZ. تركيز القالب الكربون ومساحة سقالة النهائية يمكن أن يكون نظاميةضبطها لاي من خلال تغيير تركيز الجلوكوز في تركيب الجل. وكان كميا تركيز قالب الكربون باستخدام التحليل الوزني الحراري (TGA)، تقرر توزيع مساحة وحجم المسام من القياسات الامتزاز المادية، واتسم التشكل باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM). تم تحديد نقاء المرحلة وحجم معدن دقيق باستخدام حيود الأشعة السينية (XRD). ويوفر هذا النهج تلفيق رواية، منصة مرنة لتحقيق المساحات السطحية سقالة غير مسبوقة وnanomorphologies لتطبيقات تحويل الطاقة الكهروكيميائية استنادا السيراميك، مثل خلايا الوقود الصلبة أكسيد (SOFC) الأقطاب.
Introduction
خلية وقود الأكسيد الصلبة (SOFC) يحمل وعودا كبيرة باعتبارها تكنولوجيا تحويل الطاقة البديلة لتوليد كفاءة الطاقة الكهربائية النظيفة. أحرز 1 تقدم كبير في مجال البحث والتطوير لهذه التكنولوجيا. ومع ذلك، لا تزال هناك حاجة تحسينات في الأداء الكهربائي لتحقيق تسويق موثوق بها. غالبا ما يتكون القطب سقالة السيراميك التي يسهل اختراقها مع جزيئات electrocatalytic مزينة على سطح سقالة. وقد ركزت مجموعة كبيرة من الأبحاث على زيادة المساحة السطحية للجسيمات electrocatalytic لرفع مستوى الأداء، 2، 3، 4، 5، 6، 7، 8 ولكن هناك القليل جدا من البحوث على زيادة مساحة سطح سقالة. زيادة سطح سقالةالمنطقة الصعبة لأنها متكلس في درجات حرارة عالية، 1100 درجة مئوية إلى 1500 درجة مئوية.
السقالات معالجتها بواسطة تلبد التقليدية وعادة ما يكون مساحة محددة من 0،1-1 م 2 · ز -1. 8، 9، 10، 11 هناك عدد قليل من التقارير عن زيادة مساحة سطح سقالة. وفي إحدى الحالات، تم تعزيز مساحة سقالة متكلس تقليديا حل وهطول الأمطار من سطح سقالة باستخدام حمض الهيدروفلوريك، وتحقيق مساحة محددة من 2 م 2 · ز -1. 12 في بلد آخر، وتجنب درجات الحرارة المرتفعة تماما باستخدام ترسب الليزر النبضي، وتحقيق مساحة محددة من 20 م 2 · ز -1. وكان 13 والأساس المنطقي وراء تطوير تقنية لدينا لخلق تصنيع منخفض التكلفةالعملية التي توفر مساحات سقالة غير مسبوقة ويستخدم درجات الحرارة تلبد التقليدية بحيث أن عملية يمكن تبنيها بسهولة. مع ذكرت وتقنية هنا، والمناطق سطح سقالة ما يصل الى 80 م 2 · ز -1 قد أثبت في حين يجري معالجتها في درجات الحرارة تلبد التقليدية. 14
والدافع وراء بحثنا في المقام الأول عن طريق الهندسة القطب SOFC، ولكن الأسلوب هو أكثر قابلية للتطبيق نطاق واسع لحقول وغيرها من التطبيقات. عموما، وفي الموقع طريقة النموذجيه الكربون هو نهج مرن التي يمكن أن تنتج ذات البنية النانومترية، مساحة عالية مختلط المعادن مواد السيراميك في شكل مسحوق أو السقالة التي يسهل اختراقها. أنها مرنة في أن تشكيل مختلط المعدنية الخزفية، مساحة السطح، المسامية، وحجم المسام يمكن لجميع ضبطها بشكل منهجي. وغالبا ما يحتاج درجات حرارة عالية لتشكل المرحلة المطلوبة في السيراميك مختلط المعادن، وهذا النهج يحفظ nanomorphology السيراميك ثhile يسمح احد لاختيار أساسا أي درجة حرارة المعالجة.
تتضمن هذه الطريقة تركيب هلام أساس البروبيلين-أكسيد غير العضوية، العضوية المختلطة، مع تحديد جيدا رياضيات الكيمياء من ايونات المعادن ونسبة غير العضوية إلى المحتوى العضوي. تجفف هلام في ظل الظروف المحيطة لتشكيل هلامة جافة. ومتكلس في هلامة جافة في جو الأرجون في درجة الحرارة المطلوبة. عند التسخين، والمكونات العضوية تتحلل تاركا وراءه قالب الكربون في الموقع، والتي لا تزال لمدة تلبد. تتم إزالة القالب الكربون في وقت لاحق من انخفاض أكسدة درجة الحرارة في الهواء، مما أدى إلى ذات البنية النانومترية، وارتفاع سطح منطقة السيراميك.
Protocol
Representative Results
Discussion
مع هذا النهج النموذجيه الكربون في الموقع، يمكن للمرء أن خلق والحفاظ على nanomorphology في مختلط المعادن أكاسيد في درجات حرارة سقالة تلبد التقليدية السيراميك. المناطق السطحية الناتجة إلى 80 مرات حتى أعلى من السقالات متكلس تقليديا ويصل إلى 4 أضعاف السقالات ملفقة من قبل ت?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد هذا العمل من قبل ويك فوريست قسم الكيمياء ومركز فورست لشؤون الطاقة والبيئة ويك، والاستدامة (سيس). نشكر تشارلز موني ومرفق تحليلية الأجهزة من جامعة ولاية كارولينا الشمالية للمساعدة مع التصوير 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).
