Høy temperatur Fremstilling av nanostrukturert yttriumoksidstabilisert-zirkonia (YSZ) Stillas etter<em> In Situ</em> Carbon templatmateriale xerogeler
Summary
En protokoll for fremstilling av porøse, nanostrukturerte yttriumoksydstabilisert-zirkoniumdioxyd (YSZ) stillaser ved temperaturer mellom 1000 ° C og 1400 ° C er presentert.
Abstract
Vi har vist en metode for den høye temperaturen fremstilling av porøse, nanostrukturerte yttriumoksydstabilisert-zirkoniumdioxyd (YSZ 8 mol% yttriumoksid – 92 mol% zirkoniumoksyd) stillaser med avstembare spesifikke overflatearealer opp til 80 m 2 * g -1. En vandig oppløsning av et zirkoniumsalt, yttrium salt, og glukose blandes med propylenoksyd (PO) for å danne en gel. Gelen ble tørket under omgivelsesbetingelser for dannelse av en xerogel. Xerogelen blir presset til pellets og deretter sintret i en argon atmosfære. Under sintring, en YSZ-keramisk fase danner og de organiske komponentene oppløses og etterlater amorft karbon. Karbonet som dannes in situ, tjener som et templat vanskelig, bevare et høyt overflateareal YSZ nanomorphology ved sintringstemperatur. Karbon blir deretter fjernet ved oksydasjon i luft ved lav temperatur, noe som resulterer i en porøs, nanostrukturerte YSZ stillaset. Konsentrasjonen av karbon malen og den endelige stillaset overflateareal kan være systematiskly innstilt ved å variere glukosekonsentrasjonen i gelen syntese. Karbon templat-konsentrasjonen ble kvantifisert ved hjelp av termogravimetrisk analyse (TGA), det overflateareal og porestørrelsesdistribusjonen ble bestemt ved fysikalsk adsorpsjon målinger, og morfologien ble karakterisert ved bruk av scanning elektronmikroskopi (SEM). Fase renhet og krystallittstørrelse ble bestemt ved hjelp av røntgendiffraksjon (XRD). Denne fabrikasjon metode tilveiebringer en ny og fleksibel plattform for realisering av hittil ukjente stillaset flater og nanomorphologies for keramikk-baserte omforming elektrokjemisk energi, f.eks fast oksid brenselcelle (SOFC) elektroder.
Introduction
Fastoksid-brenselcelle (SOFC) har store løftet som et alternativ energiomformings teknologi for effektiv generering av ren elektrisk kraft. En betydelig fremgang har blitt gjort i forskning og utvikling av denne teknologien; Imidlertid er forbedringer i elektrode-egenskapene fremdeles nødvendig for å oppnå pålitelig kommersialisering. Elektroden omfatter ofte en porøs keramisk stillas med elektrokatalytiske partikler dekorert på stillaset overflaten. En stor mengde forskning har fokusert på å øke overflatearealet av de elektrokatalytiske partikler for å øke ytelsen, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, men det er svært lite forskning på å øke stillaset flateareal. Økning av stillaset overflatenOmrådet er utfordrende fordi de er sintret ved høy temperatur, 1100 ° C til 1500 ° C.
Stillasene som behandles av tradisjonelle sintring har vanligvis et spesifikt overflateareal på 0,1-1 m 2 * g -1. 8, 9, 10, 11 Det finnes noen rapporter om økning av stillaset flateareal. I ett tilfelle ble overflatearealet av et tradisjonelt stillas sintret forbedret ved oppløsning og utfelling av stillaset overflaten ved hjelp av flussyre, å oppnå et spesifikt overflateareal på 2 m 2 * g -1. 12 I en annen, ble høye temperaturer unngås fullstendig ved anvendelse av pulset laser avsetning, å oppnå et spesifikt overflateareal på 20 m 2 * g -1. 13 Begrunnelsen bak utviklingen av vår teknikk var å skape en lav pris fabrikasjonprosess som gir enestående stillasoverflatearealer og bruker tradisjonelle sintringstemperaturer, slik at prosessen kan bli vedtatt lett. Med den teknikk som her er rapportert, stillasoverflateområder opp til 80 m 2 * g -1 er vist mens den ble behandlet ved tradisjonelle sintringstemperaturer. 14
Vår forskning er primært motivert av SOFC elektrode engineering, men teknikken er mer generelt gjelder for andre felt og applikasjoner. Generelt er det in situ karbon sjablonmiddel metode en fleksibel tilnærming som kan produsere nanostrukturerte, med stort overflateareal blandede metall-keramiske materialer i pulver eller porøs stillas form. Det er fleksibel ved at det blandede metall keramiske komposisjon, kan overflatearealet, porøsitet og porestørrelse alle være innstilt systematisk. Høye temperaturer er ofte nødvendig for å danne den ønskede fase i blandede metall-keramikk, og denne fremgangsmåten bevarer keramiske nanomorphology while tillater en å velge i det vesentlige en hvilken som helst prosesstemperaturen.
Denne fremgangsmåte involverer syntese av et hybrid uorganisk-organisk propylen-oksyd-baserte gel, med en brønn definere støkiometri av metallioner og forholdet mellom uorganisk og organisk innhold. Gelen ble tørket under omgivelsesbetingelser for dannelse av en xerogel. Xerogelen er sintret i en argon atmosfære ved den ønskede temperatur. Ved oppvarming dekomponerer den organiske komponenten etterlater en karbon mal in situ, noe som gjenstår for varigheten av sintring. Karbon Malen blir deretter fjernet ved lav temperatur oksidasjon i luft, noe som resulterer i et nanostrukturerte, høyt overflateareal keramikk.
Protocol
Representative Results
Discussion
Med denne in situ karbon sjablonmiddel tilnærming, kan man skape og opprettholde nanomorphology i blandede metall-oksyder ved tradisjonelle keramiske stillaset sintringstemperaturer. De resulterende overflateområder er opptil 80 ganger høyere enn de tradisjonelt sintret stillasene og opp til 4 ganger høyere enn stillaser fabrikkert av komplekse avsetningsteknikker. 14 propylenoksyd-glukose gel-systemet er meget fleksibelt for å justere konsentrasjonen av karbon malen, slik at man ti…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av Wake Forest Kjemisk institutt og Wake Forest Center for energi, miljø og bærekraft (CEES). Vi takker Charles Mooney og analytisk instrumentering Facility of the North Carolina State University for å få hjelp med SEM bildebehandling.
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).
