에 의한 나노 구조 산화 이트륨 안정화 지르코니아 (YSZ) 비계의 고온 제작<em> 시츄</em> 탄소 템플릿 생성 크 세로 겔
Summary
1000 ℃ 내지 1400 ° C의 온도에서 다공성 나노 구조 트리아 안정화 지르코니아 (YSZ) 지지체를 제조하기위한 프로토콜이 제시된다.
Abstract
가변 표면적을 가진 지지체 위로 80m 2 · g -1 – 우리는 (92 몰 % 지르코니아 YSZ, 8 몰 %이 트리아) 다공성 나노 구조 트리아 – 안정화 지르코니아의 고온 제조하는 방법을 보여준다. 지르코늄 염, 이트륨 염 및 글루코스 수용액을 겔을 형성하기 위해 프로필렌 옥사이드 (PO)와 혼합된다. 겔은 크 세로 겔을 형성하기 위해 주위 조건하에 건조된다. 크 세로 겔은 펠릿으로 가압 한 다음, 아르곤 분위기에서 소결된다. 소결 동안, YSZ 세라믹 상을 형성하고, 유기 성분은 비정질 탄소 남기고 분해. 동일계에서 형성된 탄소 소결 온도에서 높은 표면적 YSZ의 nanomorphology 보존 하드 주형으로 작용한다. 탄소이어서 다공성 나노 YSZ 지지체 결과, 저온에서의 공기 산화에 의해 제거된다. 탄소 템플릿 최종 지지체 표면적의 농도 일 수있다 체계적인LY 겔 합성 글루코스 농도를 변화시킴으로써 조정. 탄소 주형 농도는 표면적 및 공극 크기 분포는 물리적 흡착 측정에 의해 결정되었다 열 중량 분석 (TGA)을 사용하여 정량하고, 그 형태는 주 사형 전자 현미경 (SEM)을 이용하여 분석되었다. 상 순도 결정자 크기는 X 선 회절 (XRD)을 사용하여 측정 하였다. 이 제조 방법은 신규 세라믹 계 전기 에너지 변환 애플리케이션을위한 새로운 지지체 표면적과 nanomorphologies을 실현하기위한 유연한 플랫폼, 예를 들면 고체 산화물 연료 전지 (SOFC) 전극을 제공한다.
Introduction
고체 산화물 연료 전지 (SOFC)는 깨끗한 전력의 효율적인 생성을위한 대안적인 에너지 변환 기술로서 큰 가능성을 보유하고있다. 1 상당한 진전이 연구와이 기술의 개발에 만들어졌다; 그러나, 전극의 성능 개선은 여전히 안정적인 상용화를 달성하기 위해 필요하다. 전극은 종종 지지체 표면에 장식 전기 촉매 입자를 갖는 다공성 세라믹 지지체를 포함한다. 연구하는 큰 몸체의 성능, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8을 높이기 위해 전기 촉매 입자의 표면적의 증가에 집중하고 있지만, 지지체 표면적 증가에 거의 연구가있다. 인공 지지체 표면을 증가이들이 1500 ℃로 고온에서 1100 ° C 소결되기 때문에 도전 영역이다.
기존의 소결에 의해 처리 된 지지체는 통상적으로 0.1 ~ 2 m -1 · g의 비 표면적을 갖는다. 8, 9, 10, 11은 인공 지지체 표면 면적을 증가에 대한 몇 가지보고가있다. 하나의 경우, 전통적인 소결 된 지지체의 표면적은 2m 2 · g -1의 표면적을 달성 불화 수소산을 이용하여 용해하여 지지체 표면에 석출에 의해 강화되었다. 다른 양태 (12)는 고온 20m 2 · g -1의 표면적을 달성 펄스 레이저 증착법을 사용하여 완전히 회피 하였다. 우리 기술의 개발 뒤 13 이론적 근거는 저렴한 비용으로 제조를 만드는 것이 었습니다전례 지지체 표면 영역을 제공하고, 처리를 쉽게 채용 할 수 있도록 기존의 소결 온도를 사용하는 방법. 이 기술은 여기에보고 된 80 평방 미터까지 골격 표면적 · g -1 전통적인 소결 온도에서 처리되는 동안 입증되었다. (14)
우리의 연구는 주로 고체 산화물 연료 전지 (SOFC) 전극 기술에 의해 좌우되지만 기술은보다 광범위하게 적용 할 수있는 다른 분야 및 응용 프로그램입니다. 일반적으로, 인 시츄 탄소 템플릿 방법은 나노 분말 또는 다공성 지지체 형태 표면적 혼합 금속 세라믹 재료를 제조 할 수있는 유연한 방법이다. 이는 혼합 금속 자기 조성물은, 표면적, 기공 및 기공 크기는 모두 체계적으로 조정될 수 있다는 점에서 유연하다. 높은 온도는 종종 혼합 금속 세라믹 원하는 상을 형성하기 위해 필요한,이 방법은 세라믹 승 nanomorphology 보존되고하일 가능 하나 기본적으로 모든 가공 온도를 선택합니다.
이 방법은 유기 콘텐츠 잘 정의 금속 이온의 화학 양론과 무기물의 비율로하는 무기 – 유기 하이브리드 프로필렌 산화물 계 겔의 합성을 포함한다. 겔은 크 세로 겔을 형성하기 위해 주위 조건하에 건조된다. 크 세로 겔은 원하는 온도에서 아르곤 분위기에서 소결된다. 가열하면, 유기 성분은 소결 동안 유지 시츄 탄소 템플릿 남기고 분해. 탄소 템플릿은이어서 나노, 고 표면적 세라믹 결과 공기 저온 산화에 의해 제거된다.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 현장에서 탄소 템플릿 방식으로, 하나는 만들 수 있습니다 및 전통 세라믹 인공 지지체의 소결 온도에서 혼합 금속 산화물의 nanomorphology을 보존 할 수 있습니다. 얻어진 표면적은 최대 80 배 전통적 소결 지지체보다 복잡한 증착 기술에 의해 제조 된 지지체보다 4 배까지이다. 14 프로필렌 옥사이드 글루코스 겔 시스템은 하나 체계적 10 부피 %의 탄소와 거의 100 부피 %의 ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작품은 웨이크 포레스트 화학과와 웨이크 에너지, 환경에 대한 숲 센터 및 지속 가능성 (시스)에 의해 지원되었다. 우리는 찰스 무니와 SEM 영상에 대한 지원은 노스 캐롤라이나 주립 대학의 분석 계측 시설을 감사합니다.
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).
