ייצור טמפרטורה גבוהה של Nanostructured yttria התייצב-Zirconia (YSZ) פיגומים על ידי<em&gt; באתרו</em&gt; Xerogels בניית תבנית פחמן

Summary

פרוטוקול עבור בודה נקבובי, nanostructured התייצב-yttria-zirconia (YSZ) פיגומים בטמפרטורות בין 1000 ° C ו 1400 ° C מוצג.

Abstract

אנחנו מדגימים שיטה עבור ייצור בטמפרטורה גבוהה של zirconia התייצב-yttria נקבובי, nanostructured (YSZ, 8 mol yttria% - 92 zirconia mol%) פיגומים בעלי שטח פנים ספציפי מתכונן עד 80 מ ^'2 · g ^-1. בתמיסה מימית של מלח זירקוניום, מלח איטריום, וגלוקוז הוא מעורב עם פרופילן אוקסיד (PO) כדי ליצור ג'ל. הג'ל הוא מיובש בתנאי הסביבה להקים xerogel. Xerogel נלחץ לתוך כדורים ואז sintered באווירת ארגון. במהלך sintering, נוצר קרמיקת שלב YSZ ואת הרכיבים האורגניים מתפרקים, משאירים מאחוריהם פחמן אמורפי. הפחמן שנוצר באתרו משמש כתבנית קשה, שמירה על nanomorphology YSZ שטח פנים גבוהים ב sintering טמפרטורה. הפחמן מוסר לאחר מכן על ידי חמצון באוויר בטמפרטורה נמוכה, וכתוצאה מכך פיגום YSZ נקבובי, nanostructured. הריכוז של תבנית הפחמן ואת שטח הפיגום הסופי יכול להיות שיטתיly מכוון על ידי שינוי ריכוז הגלוקוז סינתזת ג'ל. ריכוז תבנית פחמן היה לכמת באמצעות אנליזה תרמוגרווימטרית (TGA), בגודל שטח באזור נקבובי ההפצה נקבעה על ידי מדידות ספיחה פיסיות, ואת המורפולוגיה התאפיינה באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורקים (SEM). טוהר שלב וגודל הגביש נקבע באמצעות דיפרקציה בקרני רנטגן (XRD). גישת המצאה זו מספקת רומן, פלטפורמה גמישה למימוש אזורי nanomorphologies משטח פיגום תקדים עבור יישומי המרת קרמיקה מבוססת אלקטרוכימי אנרגיה, למשל תא דלק מוצק תחמוצת אלקטרודות (SOFC).

Introduction

תא דלק תחמוצת המוצק (SOFC) טומן בחובו הבטחה גדולה כטכנולוגית המרת אנרגיה חלופית הדור היעיל של חשמל נקי. ההתקדמות ¹ ניכר נעשה במחקר ופיתוח של טכנולוגיה זו; עם זאת, שיפורים בביצועי אלקטרודה עדיין נדרשים כדי להשיג מסחור אמין. האלקטרודה קרובה כוללת פיגום קרמיקה נקבובי עם חלקיקי electrocatalytic מקושטים על פני שטח הגרדום. גוף גדול של המחקר התמקד בהגדלת שטח הפנים של חלקיקי electrocatalytic כדי להגדיל את הביצועים, ^{2, 3, 4, 5, 6, 7, 8} אבל יש מחקר מעט מאוד על הגדלת שטח הפנים הגרדום. הגדלת שטח הגרדוםהאזור הוא מאתגר כי הם sintered בטמפרטורות גבוהות, 1100 ° C עד 1500 מעלות צלזיוס.

פיגומים מעובדים על ידי sintering המסורתי בדרך כלל יש שטח פנים ספציפי של 0.1-1 מ ^'2 · g ^{-1. 8, 9, 10, 11} ישנם כמה דיווחים על הגדלת שטח הפנים הגרדום. במקרה אחד, שטח הפנים של פיגום מדובקקת מסורתי התחזק בעקבות הפירוק ואת המשקעים של משטח הפיגום באמצעות חומצה הידרופלואורית, השיג שטח ספציפי של 2 מ ^'2 · g ^{-1. 12} בחודש אחר, טמפרטורות גבוהות היו להימנע לחלוטין באמצעות בתצהיר ליזר פעמו, השיגו שטח ספציפי של 20 מ ^'2 · g ^{-1. 13} הרציונל מאחורי הפיתוח של הטכניקה שלנו הייתה ליצור ייצור בעלות נמוכהתהליך מספק שטח פן פיגום תקדים ומשתמש טמפרטורות sintering מסורתיות כך שהתהליך יכול לאמץ בקלות. בעזרת הטכניקה דיווחה כאן, באזורי משטח פיגום עד 80 מ ^'2 · g ^-1 הוכחו תוך מעובדת בטמפרטורות sintering מסורתיות. ¹⁴

המחקר שלנו מונע בעיקר על ידי הנדסת אלקטרודה SOFC, אבל הטכניקה היא יותר רחבה החלימה שדות ויישומים אחרים. השיטה באופן כללי, יצירת תבניות פחמן באתרו היא גישה גמישה שיכול לייצר nanostructured, שטח פנים גבוהים חומרים קרמיים מעורבת-מתכת באבקה או טופס פיגום ספוגי. זה הוא גמיש כי רכב הקרמיקה המעורבת-המתכת, שטח פנים, נקבובי, ואת הגודל נקבובי כולם יכולים להיות מכוון באופן שיטתי. טמפרטורות גבוהות לעתים קרובות יש צורך ליצור את השלב הרצוי בקרמיקה מעורבת-מתכת, וכן גישה זו שומרת קרמיקה nanomorphology while המאפשר אחד כדי לבחור בעצם כל טמפרטורת עיבוד.

שיטה זו כרוכה הסינתזה של ג'ל מבוסס-תחמוצת-פרופילן היברידי אורגני-אורגני, עם ורכב להגדיר היטב של יוני מתכת ויחס של אורגני לתוכן אורגני. הג'ל הוא מיובש בתנאי הסביבה להקים xerogel. Xerogel הוא sintered באווירה ארגון בטמפרטורה הרצויה. לאחר החימום, המרכיב האורגני מתפרק משאירים מאחוריהם תבנית פחמן באתרו, אשר נשאר למשך sintering. תבנית פחמן מוסרת לאחר מכן על ידי חמצון בטמפרטורה נמוך באוויר, וכתוצאה מכך nanostructured, קרמיקה באזור גבוה משטח.

Protocol

1. פלטות Xerogel הכינו

1. סינתזת ג'ל
   1. הוספת בר ומערבבים מגנט 25 מ"מ ו 113 מיליליטר מים ללא יוני מבחנת מיליליטר 500. מגנטי לערבב את המים ללא יונים בשיעור הגבוה שאינו יוצר מערבולת.
   2. לאט לאט מוסיפים 13.05 גרם (0.056 mol) של כלוריד זירקוניום נטול מים אל מים ללא יונים במרווחים קטנים. אחרי הכל של כלוריד זירקוניום נטול מים נמס, מוסיפים 53.29 גרם (0.296 mol) של גלוקוז אל הפתרון.
   3. אחרי הכל של גלוקוז מומס הפתרון, להוסיף 3.73 גר '(0.01 mol) של hexahydrate חנק איטריום לפתרון. הגדלת השיעור בחישה מגנטית כדי ~ 700 סל"ד ולחכות כל hexahydrate חנק איטריום לפזר בתמיסה.
   4. להוסיף 42 מ"ל של פרופילן אוקסיד לפתרון. המשך ערבוב ב ~ 700 סל"ד עבור פרופילן אוקסיד לערבב עם בתמיסה מימית. לאחר פרופילן אוקסיד הוא מעורבב עם בתמיסה מימית (~ 10 s), להקטין את t בחישה מגנטיתo ~ 150 סל"ד.
   5. המשך בחישה עד בר ומערבבים מגנטי הפסיק לזוז עקב היווצרות של קריש. הג'ל בדרך כלל יוצר בתוך 3 דקות.
      הערות: הוספת כלוריד זירקוניום נטול מים כדי מים ללא יונים היא תגובה אקסותרמית מאוד הכלורי זירקוניום נטול יהיה בנוצה אם זה מתווסף מהר מדי.
      הניסוח בסעיף 1.1. מתאים גלוקוז למתכות כוללות (זירקוניום + איטריום) יחס טוחן של 4.5: 1. חלק תוצאות הנציג כולל נתונים עבור גלוקוז כדי יחסי טוחנת מתכות סכים של 0: 1, 2.25: 1, ו 4.5: 1. כמות הגלוקוז הניסוח מוגבלת רק על ידי המסיסות של גלוקוז בתמיסה. לעיון, המסיסות המרבית של גלוקוז במים בטמפרטורה של 20 מעלות צלזיוס היא 47.8% WT. ¹⁵
2. הזדקנות ושטיפת ג'ל
   1. בחוזקה לכסות את כוס המכילה ג'ל עם Parafilm ולתת אותו גיל 24 h ידי השארת הכוס מכוסה בטמפרטורת החדר.
   2. הסר את הכיסוי מן הקנקן למזוג נוזל על גבי הג'ל.
   3. מוסיפים 300 מ"ל של אתנול אבסולוטי אל מבחנה המכילה ג'ל, בחוזקה לכסות את הכוס עם Parafilm, ולהשאיר את הגביע מכוסה בטמפרטורת החדר למשך 24 שעות.
   4. חזור על שלב 1.2.3 פעמים נוספות עבור סכום כולל של שלוש כביסות אתנול פני תקופה כוללת של 72 h.
3. ייבוש ג'ל לתוך Xerogel
   1. הסר את הג'ל מהקנקן ולמקם אותו בצלחת מתאדה פורצלן 2 L (24 סנטימטרים קוטר חיצוניים העליון) בעזרת מרית במעבדה.
   2. לשבור את הג'ל לתוך כ 1 ס"מ x 1 ס"מ חתיכות עם מרית פרושים החלקים מעל פני השטח של המנה מתאדים.
   3. תן החתיכות ג'ל לייבוש בתנאי סביבה למשך שבוע או עד הג'ל הוא יבש. הג'ל נחשב יבש כשזה ניתן לטחון לאבקה דקה.
   4. טוחנים את כל xerogel לאבקה דקה עם מכתש ועלי.
      הערה: לאחר ג'ל יבש, זהנחשב xerogel כי הוא היה מיובש בתנאי סביבה.
4. לחיצה על Xerogel לתוך גלולה
   1. מניחים 1 גרם של אבקת xerogel לתוך למות העיתונות גלולה גלילי בקוטר של 13 מ"מ.
   2. באמצעות עיתונות הידראולית, להחיל 22 kN בכוח עבור 90 s ללחוץ על ג'ל xerogel לתוך גלולה.
   3. לאט לאט לשחרר את הכוח ליישם על ידי העיתונות. לאט להוציא את הכדור החוצה למות גלולה ולאחר מכן להסיר בזהירות את הגלולה.

2. Sintering גלולה Xerogel באווירה אינרטי

1. מניח את גלולת xerogel תתפס אלומינה או צלחת zirconia התייצב-yttria ו לטעון את הצלחת למרכז תנור צינור.
2. זרימת ארגון בשיעור של שליש הנפח של הצינור עובד לדקה. זו תואמת את קצב זרימת ארגון של 750 מיליליטר · min ^-1 עבור צינור העבודה המשמש בעבודה זו. Vent משקע הגז במנדף.
3. זרימת ארגון לכוורו דקות 15 לפחותefore מתחיל לחמם את תנור הצינור.
4. כאשר הוא זורם ארגון ברציפות בקצב קבוע, תכנית בקר טמפרטורת תנור צינור ללוח זמני החימום הבא:
   1. החזק בטמפרטורת החדר למשך 15 דקות.
   2. מחממים עד 850 מעלות צלזיוס בקצב הרמפה של 5 מעלות צלזיוס · min ^-1.
   3. מחממים לטמפרטורה הרצויה sintering בקצב הרמפה של C ° 2 · min ^-1.
   4. החזק את הטמפרטורה sintering הרצוי עבור 2 h.
   5. מצננים 850 ° C בקצב הרמפה של 2 מעלות צלזיוס · min ^-1.
   6. מצננים לטמפרטורת החדר בקצב הרמפה של C ° 5 · min ^-1.
5. הפעל את התוכנית ולבדוק שוב כי תנור צינור מתחמם בעקבות לוח הזמנים שנקבע בסעיף 2.3.
6. הסר גלול מכבשן הצינור אחרי תכנית החימום השלימה.

3. קביעת ריכוז תבנית פחמן

1. חותכים חתיכה ~ 50 מ"ג מתוךxerogel גלולה מדובקקת עם סכין שירות לטחון אותו לאבקה דקה עם מרגמה אגת ועלי.
2. מקום ~ 50 מ"ג של אבקת קנס לתוך כוס מדגם אלומינה עבור אנליזה תרמוגרווימטרית.
3. באמצעות נתח טרמוגרווימטריים (TGA), לחמם את המדגם בשיעור של 10 ° C · min ^-1 מ טמפרטורת הסביבה עד 1200 ° C תוך זורם אוויר מעל המדגם בשיעור של 100 מ"ל · min ^-1.
4. חשב את אחוז השינוי במשקל המתרחשת בין ~ 350 ° C ו ~ 700 ° C. אחוז משקל זה התואם לתוכן פחמן הכולל במדגם.
   הערה: אם עלייה במשקל מתרחשת C 350 ° עד 700 ° C טווח, שלב קרביד יצר ואת החישוב של תוכן הפחמן הוא יותר מורכב. עבור במקרה זה, עיין חישובים המתוארים בספרות. ¹⁴ ניתוח יסודות פחמן נעשה שימוש כדי לאשר תוכן פחמן ניתן לחשב ממדידות TGA.

4. משטח גבוה הכנת פיגום YSZ פינה ידי הסרת תבנית פחמן

1. מניח את גלולת xerogel מדובקקת בתוך כור היתוך אלומינה.
2. מניח את כור ההיתוך לתוך כבשן תיבה 700 מעלות צלזיוס למשך 2 h.
3. מוציאים בזהירות את כור ההיתוך חם מכבשן תיבת עם מלקחיים כור ההיתוך נירוסטה ומצננים לטמפרטורת החדר במשך שעה אחת לפני הסרת פיגום YSZ נקבובי, לבן.

תוצאות

טוהר שלב אושרה על ידי קרני ה- X עקיפה (XRD) כפי שדווח בעבר על ידי Cottam ואח. ¹⁴ YSZ פיגום באזור מסוים השטח כפונקציה של ריכוז תבנית פחמן מוצג באיור 1. הריכוז מוצג כאחוז הנפח של מוצקים סכים גלולת xerogel מדובקקת. ריכוז תבנית הפחמן מגדיל בא...

Discussion

עם גישת בניית תבנית באתרו זה פחמן, אחד יכול ליצור ולשמר nanomorphology ב-תחמוצות מעורבת מתכת בטמפרטורות sintering פיגום קרמיקה מסורתית. תחומי השטח וכתוצאה מכך הם עד 80 פעמים גבוהות יותר מאשר פיגומים מדובקקת מסורתי ועד 4 פעמים גבוהות יותר מאשר פיגומים המפוברקים על ידי טכניקו?...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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