Høj temperatur Fabrikation af nanostrukturerede yttriastabiliseret-Zirconia (YSZ) Stilladser ved<em> In Situ</em> Carbon Templatering Xerogeler
Summary
En protokol til fremstilling af porøse, nanostrukturerede yttriastabiliseret-zirconia (YSZ) scaffolds ved temperaturer mellem 1000 ° C og 1400 ° C er præsenteret.
Abstract
Vi demonstrerer en fremgangsmåde til højtemperatur fremstilling af porøs, nanostrukturerede yttriastabiliseret-zirconiumdioxid (YSZ, 8 mol% yttriumoxid – 92 mol-% zirconia) stilladser med afstemmelige specifikke overfladearealer op til 80 m 2 · g-1. En vandig opløsning af et zirconiumsalt, yttrium salt, og glucose er blandet med propylenoxid (PO) til dannelse af en gel. Gelen tørres under omgivelsernes betingelser til dannelse af en xerogel. Xerogelen presses til pellets og derefter sintret i en argonatmosfære. Under sintring, en YSZ keramiske fase former og de organiske komponenter nedbrydes, efterlader amorft carbon. Carbon dannet in situ fungerer som en hård skabelon, bevare et højt overfladeareal YSZ nanomorphology ved sintringstemperatur. Carbonet fjernes efterfølgende ved oxidation i luft ved lav temperatur, hvilket resulterer i en porøs, nanostruktureret YSZ stillads. Koncentrationen af carbon skabelon og den endelige stillads overfladeareal kan være systematiskly tunet ved at variere glucosekoncentrationen i gelen syntese. Koncentrationen carbon skabelon blev kvantificeret ved anvendelse af termogravimetrisk analyse (TGA), overfladearealet og porestørrelsesfordelingen blev bestemt ved fysisk adsorption målinger, og morfologien blev karakteriseret ved anvendelse af scanningselektronmikroskopi (SEM). Faserenhed og krystallitstørrelse blev bestemt under anvendelse af røntgendiffraktion (XRD). Denne fabrikation fremgangsmåde tilvejebringer en hidtil ukendt, fleksibel platform til realisering hidtil usete stillads overfladearealer og nanomorphologies til keramiske-baserede elektrokemisk energi konvertering anvendelser fx fastoxidbrændselscelle (SOFC) elektroder.
Introduction
Den fastoxidbrændselscelle (SOFC) lover godt som alternativ energi konvertering teknologi til effektiv generering af rent elektrisk strøm. Der er sket pt betydelige fremskridt inden for forskning og udvikling af denne teknologi; dog er forbedringer i elektrode ydeevne stadig nødvendig for at opnå pålidelig kommercialisering. Omfatter elektroden ofte et porøst keramisk stillads med elektrokatalytiske partikler dekoreret på stilladset overflade. En stor mængde forskning har fokuseret på at øge overfladearealet af de elektrokatalytiske partikler at øge ydeevnen, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, men der er meget lidt forskning på at øge stilladset overfladeareal. Forøgelse af stillads overfladeområde er udfordrende, fordi de er sintret ved høje temperaturer, 1100 ° C til 1500 ° C.
Stilladser forarbejdet ved traditionel sintring har typisk et specifikt overfladeareal på 0,1-1 m 2 · g-1. 8, 9, 10, 11 Der er et par rapporter om stigende stilladset overfladeareal. I et tilfælde blev overfladearealet af en traditionelt sintret stillads forstærket ved opløsning og udfældning af stilladset overflade ved anvendelse af flussyre, der giver et specifikt overfladeareal på 2 m2 · g-1. 12 I en anden, blev høje temperaturer undgås helt ved anvendelse af pulserende laser deposition, opnå et specifikt overfladeareal på 20 m2 · g-1. 13 Rationalet bag udviklingen af vores teknik var at skabe en lav pris fabrikationfremgangsmåde, som tilvejebringer hidtil usete stillads overfladearealer og bruger traditionelle sintringstemperaturer så processen kan vedtages nemt. Med teknikken rapporteret her, stillads overfladearealer på op til 80 m2 · g-1 er blevet påvist under behandling ved traditionelle sintringstemperaturer. 14
Vores forskning er primært motiveret af SOFC elektrode teknik, men teknikken er mere bredt anvendelig til andre områder og applikationer. Generelt in situ carbon templating metode er en fleksibel tilgang, der kan producere nanostruktureret, stort overfladeareal blandet metal keramiske materialer i pulveret eller porøse stillads formular. Den er fleksibel ved, at det blandede metal keramiske sammensætning, kan overfladeareal, porøsitet og porestørrelse alle afstemmes systematisk. Høje temperaturer er ofte nødvendige for at danne den ønskede fase i blandet metal keramik, og denne fremgangsmåde bevarer keramisk nanomorphology while tillader en at vælge det væsentlige enhver forarbejdningstemperatur.
Denne fremgangsmåde involverer syntese af en hybrid uorganisk-organiske propylen-oxid-baseret gel, med et godt definere støkiometri af metalioner og forholdet mellem uorganisk og organisk indhold. Gelen tørres under omgivelsernes betingelser til dannelse af en xerogel. Xerogelen sintres i en argonatmosfære ved den ønskede temperatur. Ved opvarmning, den organiske komponent dekomponerer efterlader en carbon skabelon in situ, som forbliver under hele sintringen. Carbon skabelon fjernes efterfølgende ved lav temperatur oxidation i luft, hvilket resulterer i en nanostruktureret, højt overfladeareal keramik.
Protocol
Representative Results
Discussion
Med dette in situ carbon templating tilgang, kan man skabe og bevare nanomorphology i blandet-metal-oxider ved traditionelle keramiske stillads sintringstemperaturer. De resulterende overfladearealer er op til 80 gange højere end traditionelt sintrede stilladser og op til 4 gange højere end stilladser fremstillet ved komplekse aflejringsteknikker. 14 propylenoxid-glukosegel system er meget fleksibelt til tuning af koncentrationen af carbon skabelon, tillader en til systematisk kontrol …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af Wake Forest Kemi Institut og Wake Forest Center for Energi, Miljø og Bæredygtighed (CEES). Vi takker Charles Mooney og Analytisk Instrumentation Facility i North Carolina State University for at få hjælp med SEM billeddannelse.
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 |
Referências
- 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).
