High Temperature Fabrication av nanostrukturerade yttriumoxidstabiliserad-zirkonium (YSZ) Ställningar av<em> In Situ</em> Carbon schablon xerogeler
Summary
Ett protokoll för framställning av porösa, nanostrukturerade yttriumoxidstabiliserad-zirkoniumoxid (YSZ) ställningar vid temperaturer mellan 1000 ° C och 1400 ° C presenteras.
Abstract
Vi demonstrera en metod för hög temperatur tillverkning av porösa, nanostrukturerade yttriumoxidstabiliserad-zirkoniumoxid (YSZ, 8 mol-% yttriumoxid – 92 mol% zirkoniumoxid) ställningar med avstämbara specifika ytareor upp till 80 m 2 · g -1. En vattenhaltig lösning av ett zirkoniumsalt, yttrium-salt, och glukos är blandad med propylenoxid (PO) för att bilda en gel. Gelén torkas under omgivningsbetingelser för att bilda en xerogel. Xerogelen pressas till pellets och därefter sintras i en argonatmosfär. Under sintring, en YSZ keramiska fas former och de organiska komponenterna sönderdelas och lämnar efter sig amorft kol. Kolet som bildas in situ fungerar som ett hårt mall, bevara en hög ytarea YSZ nanomorphology vid sintringstemperaturen. Kolet avlägsnas därefter genom oxidation i luft vid låg temperatur, vilket resulterar i en porös, nanostrukturerade YSZ byggnadsställning. Koncentrationen av mall kol och den slutliga ställningen ytarea kan vara systematisktly avstämd genom variation av glukoskoncentrationen i gelén syntesen. Mallen kolkoncentration kvantifierades med användning av termogravimetrisk analys (TGA), fram ytarean och porstorleksfördelningen bestäms genom fysiska mätningar adsorptions-, och morfologin karaktäriserades med användning av svepelektronmikroskop (SEM). Fasrenhet och kristallitstorleken bestämdes med användning av röntgendiffraktion (XRD). Denna tillverknings tillvägagångssätt tillhandahåller en ny, flexibel plattform för att realisera oöverträffade ställnings ytareor och nanomorphologies för tillämpningar keramiska-baserade elektrokemiska energiomvandlings, t.ex. fastoxidbränslecell (SOFC) elektroder.
Introduction
Den fasta oxidbränsleceller (SOFC) är mycket lovande som ett alternativ energiomvandlingsteknik för effektiv generering av ren elektrisk effekt. 1 Betydande framsteg har gjorts när det gäller forskning och utveckling av denna teknik; Men fortfarande behövs förbättringar i elektrod prestanda för att uppnå tillförlitlig kommersialisering. Elektroden innefattar ofta ett poröst keramiskt byggnadsställning med elektrokatalytiska partiklar dekorerade på ställningen ytan. En stor mängd forskning har fokuserat på att öka ytarean hos de elektrokatalytiska partiklar för att öka prestanda, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, men det finns mycket lite forskning på att öka scaffold ytarea. Öka ställningen ytanområde är utmanande eftersom de sintras vid höga temperaturer, 1100 ° C till 1500 ° C.
Ställningar som behandlas av traditionell sintring har typiskt en specifik ytarea av 0,1-1 m 2 · g -1. 8, 9, 10, 11 Det finns några rapporter om att öka ställningen ytarea. I ett fall, var ytarean hos en traditionellt sintrad byggnadsställning förstärks av upplösning och utfällning av ställningsytan med användning av fluorvätesyra, att uppnå en specifik ytarea av 2 m 2 · g -1. 12 I ett annat, var höga temperaturer undvikas helt genom användning av pulsad laserdeponering, uppnå en specifik yta av 20 m 2 · g -1. 13 Tanken bakom utvecklingen av vår teknik var att skapa en låg kostnad tillverkningprocess som ger helt nya ställnings ytareor och använder traditionella sintringstemperaturer så att processen kan antas lätt. Med tekniken rapporteras här, scaffold ytareor upp till 80 m 2 · g -1 har visats medan den bearbetas vid traditionella sintringstemperaturer. 14
Vår forskning är främst motiveras av SOFC elektrod teknik, men tekniken är mer allmänt tillämpbar på andra områden och tillämpningar. I allmänhet, är den in situ-kol schablonmetod ett flexibelt tillvägagångssätt som kan producera nanostrukturerad, hög ytarea blandad metallkeramiska material i pulver eller porösa scaffold form. Det är flexibelt i att det blandade-metall keramisk komposition, ytarea, porositet, och porstorlek kan alla avstämmas systematiskt. Höga temperaturer behövs ofta för att bilda den önskade fasen i blandad-metallkeramik, och detta tillvägagångssätt bevarar keramiska nanomorphology while tillåter en att välja i huvudsak varje bearbetningstemperatur.
Denna metod innefattar syntes av en hybrid oorganisk-organisk propylen-oxidbaserad gel, med en väl definiera stökiometri av metalljoner och förhållandet av oorganiskt till organiskt innehåll. Gelén torkas under omgivningsbetingelser för att bilda en xerogel. Xerogelen sintras i en argonatmosfär vid den önskade temperaturen. Vid upphettning sönderdelas den organiska komponenten lämnar efter sig en mall kol in situ, som förblir under hela sintringen. mall kolet avlägsnas därefter genom oxidation vid låg temperatur i luft, vilket resulterar i en nanostrukturerad, hög ytarea keramik.
Protocol
Representative Results
Discussion
Med denna in situ-kol schablon tillvägagångssätt kan man skapa och bevara nanomorphology i blandad metalloxiderna vid traditionella keramiska scaffold sintringstemperaturer. De resulterande ytareorna är upp till 80 gånger högre än traditionellt sintrade byggnadsställningar och upp till 4 gånger högre än byggnadsställningar tillverkade av komplexa avsättningstekniker. 14 Den propylenoxid-glukos gelsystem är mycket flexibel för avstämning av koncentrationen av mallen kol, t…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av Wake Forest kemi Institutionen och Wake Forest Center for Energy, miljö och hållbar utveckling (CEES). Vi tackar Charles Mooney och Analytical Instrumentation Facility av State University North Carolina för att få hjälp med SEM avbildning.
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).
