Fabbricazione ad alta temperatura di Nanostrutturati di ossido di ittrio stabilizzato-Zirconia (YSZ) Ponteggi da<em&gt; In Situ</em&gt; Carbon Templating xerogel

Riepilogo

Un protocollo per fabbricare scaffold porosi, nanostrutturati stabilizzato con ittrio-zirconio (YSZ) a temperature comprese tra 1000 ° C e 1400 ° C è presentato.

Abstract

Abbiamo dimostrato un metodo per la fabbricazione ad alta temperatura microporosa, nanostrutturati stabilizzato con ittrio-zirconio (YSZ, 8% in moli di ossido di ittrio - 92 moli% di ossido di zirconio) scaffold con aree superficiali specifiche sintonizzabili fino a 80 m ² · g ^-1. Una soluzione acquosa di un sale di zirconio, sale ittrio, e glucosio è mescolato con ossido di propilene (PO) per formare un gel. Il gel viene essiccato in condizioni ambiente per formare uno xerogel. Xerogel viene pressata in pellets e successivamente sinterizzato in un'atmosfera di argon. Durante la sinterizzazione, un YSZ forme fase ceramica ed i componenti organici decompongono, lasciando dietro di carbonio amorfo. Il carbonio formato in situ funge da modello duro, mantenendo una elevata area superficiale YSZ nanomorphology alla temperatura di sinterizzazione. Il carbonio viene successivamente rimosso mediante ossidazione all'aria a bassa temperatura, con un conseguente poroso nanostrutturato YSZ ponteggio. La concentrazione del template carbonio e la superficie scaffold finale può essere sistematicoly sintonizzato variando la concentrazione di glucosio nella sintesi gel. La concentrazione modello di carbonio è stata quantificata mediante analisi termogravimetrica (TGA), la distribuzione area superficiale e dimensione dei pori è stata determinata mediante misurazioni di adsorbimento fisico, e la morfologia è stata caratterizzata mediante microscopia elettronica a scansione (SEM). Fase purezza e la dimensione dei cristalliti è stato determinato utilizzando la diffrazione a raggi X (XRD). Questo approccio fabbricazione fornisce un nuovo, piattaforma flessibile per la realizzazione di superfici scaffold senza precedenti e nanomorphologies per applicazioni di conversione di energia elettrochimica a base di ceramica, ad esempio celle a combustibile ad ossidi solidi (SOFC) elettrodi.

Introduzione

La cella a combustibile ad ossidi solidi (SOFC) molto promettente come tecnologia di conversione di energia alternativa per l'efficiente generazione di energia elettrica pulita. ¹ Notevoli progressi sono stati fatti nella ricerca e sviluppo di questa tecnologia; Tuttavia, il miglioramento delle prestazioni dell'elettrodo sono ancora necessari per raggiungere commercializzazione affidabile. L'elettrodo spesso comprende un'impalcatura di ceramica porosa con particelle elettrocatalitiche decorati sulla superficie ponteggio. Una grande quantità di ricerca si è focalizzata sulla aumentando l'area superficiale delle particelle elettrocatalitiche per aumentare le prestazioni, ^{2, 3, 4, 5, 6, 7, 8,} ma è molto piccola ricerca sul aumentando la superficie ponteggio. Aumentando la superficie patiboloarea è difficile perché sono sinterizzati a temperature elevate, 1.100 ° C a 1.500 ° C.

Scaffold elaborati da sinterizzazione tradizionale tipicamente hanno una superficie specifica di 0,1-1 m ² · g ^{-1. 8, 9, 10, 11} ci sono un paio di rapporti sul aumentando la superficie patibolo. In un caso, la superficie di un ponteggio tradizionalmente sinterizzato si arricchisce di dissoluzione e precipitazione della superficie ponteggio con acido fluoridrico, ottenendo una superficie specifica di 2 m ² · g ^{-1. 12} In un altro, alte temperature sono stati evitati del tutto utilizzando deposizione laser pulsato, ottenendo una superficie specifica di 20 m ² · g ^{-1. 13} La logica alla base dello sviluppo della nostra tecnica è stato quello di creare una fabbricazione a basso costoprocesso che fornisce superfici scaffold senza precedenti e utilizza temperature di sinterizzazione tradizionali in modo che il processo possa essere adottata facilmente. Con la tecnica riportata qui, superfici impalcatura fino a 80 m ² · ^g-1 sono state dimostrate mentre viene elaborata a temperature di sinterizzazione tradizionali. ¹⁴

La nostra ricerca è motivata principalmente dal ingegneria elettrodo SOFC, ma la tecnica è più ampiamente applicabile ad altri settori e applicazioni. Generalmente, il metodo in situ di template di carbonio è un approccio flessibile che può produrre nanostrutturati, elevata area superficiale mista metallo materiali ceramici in polvere o impalcatura porosa. È flessibile dal fatto che la composizione ceramica mista metallo, area superficiale, porosità e dimensioni dei pori possono tutti essere sintonizzato sistematicamente. Le alte temperature sono spesso necessari per formare la fase desiderata nella ceramica mista metallo, e questo approccio conserva nanomorphology ceramica wentre permettendo di scegliere essenzialmente qualsiasi temperatura di lavorazione.

Questo metodo comporta la sintesi di un gel a base di propilene-ossido inorganico-organico ibrido, con una stechiometria ben definire di ioni metallici e il rapporto di inorganico contenuto organico. Il gel viene essiccato in condizioni ambiente per formare uno xerogel. Xerogel viene sinterizzato in un'atmosfera di argon alla temperatura desiderata. In seguito a riscaldamento, la componente organica decompone lasciando un modello di carbonio in situ, che rimane per la durata del sinterizzazione. Il modello di carbonio viene successivamente rimosso mediante ossidazione a bassa temperatura in aria, con conseguente nanostrutturati, elevata area superficiale ceramico.

Protocollo

1. Preparazione Pellet xerogel

1. Gel Sintesi
   1. Aggiungere da 25mm di ancoretta magnetica e 113 mL di acqua deionizzata in un bicchiere da 500 mL. Magneticamente agitare l'acqua deionizzata al tasso più elevato che non forma un vortice.
   2. Aggiungere lentamente 13,05 g (0,056 moli) di cloruro di zirconio anidro all'acqua deionizzata in piccoli incrementi. Dopo tutto del cloruro di zirconio anidro è sciolto, aggiungere 53.29 g (0,296 moli) di glucosio alla soluzione.
   3. Dopo tutto il glucosio è disciolto nella soluzione, aggiungere 3,73 g (0,01 moli) di nitrato esaidrato ittrio alla soluzione. Aumentare la velocità di agitazione magnetica a ~ 700 rpm ed attendere che tutto l'esaidrato di nitrato di ittrio da sciogliere in soluzione.
   4. Aggiungere 42 ml di ossido di propilene alla soluzione. Continua agitazione a ~ 700 rpm per l'ossido di propilene per mescolare con la soluzione acquosa. Una volta che l'ossido di propilene viene miscelato con la soluzione acquosa (~ 10 s), diminuire il magnetico t agitazioneO ~ 150 rpm.
   5. Continuare a mescolare fino alla ancoretta magnetica sia fermo a causa della formazione del gel. Il gel si forma tipicamente entro 3 min.
      NOTE: L'aggiunta di cloruro di zirconio anidro in acqua deionizzata è una reazione altamente esotermica e cloruro di zirconio anidro si pennacchio se viene aggiunto troppo rapidamente.
      La formulazione prevista nel paragrafo 1.1. corrisponde ad un glucosio per metalli (in zirconio + ittrio) rapporto molare di 4,5: 1. La sezione rappresentativa risultati include dati per il glucosio al totale rapporti molari di metalli 0: 1, 2,25: 1 e 4,5: 1. La quantità di glucosio nella formulazione è limitato solo dalla solubilità del glucosio nella soluzione. Per riferimento, la solubilità massima del glucosio in acqua a 20 ° C è del 47,8% in peso. ¹⁵
2. Invecchiamento e lavaggio del gel
   1. Strettamente coprire il becher contenente il gel con parafilm e lasciare che l'età per 24 h lasciando il becher coperto a temperatura ambiente.
   2. Rimuovere il coperchio dal bicchiere e decantare il liquido sulla superficie del gel.
   3. Aggiungere 300 ml di etanolo assoluto al bicchiere contenente il gel, strettamente coprire il becher con parafilm e lasciare il becher coperto a temperatura ambiente per 24 h.
   4. Ripetere il punto 1.2.3 altre due volte per un totale di tre lavaggi etanolo per un periodo totale di 72 h.
3. Asciugatura del gel in un xerogel
   1. Rimuovere il gel dal bicchiere e metterlo in una capsula 2 L porcellanato (24 cm di diametro esterno superiore) con una spatola laboratorio.
   2. Rompere il gel in circa 1 cm x 1 cm pezzi con una spatola e diffondere i pezzi sulla superficie della capsula.
   3. Lasciare che i pezzi di gel asciugare in condizioni ambiente per una settimana o fino a quando il gel è asciutto. Il gel è considerato secco quando può essere macinato in una polvere fine.
   4. Macinare tutta la xerogel in una polvere fine con un mortaio e pestello.
      NOTA: Una volta che il gel è asciutto, èconsiderata uno xerogel perché è stato essiccato sotto condizioni ambientali.
4. Premendo il xerogel in un pellet
   1. Posizionare 1 g di polvere in un xerogel cilindrica pellet pressa stampo con un diametro di 13 mm.
   2. Utilizzando una pressa idraulica, applicare 22 kN di forza per 90 s per premere il gel xerogel in un pellet.
   3. Rilasciare lentamente la forza applicata dalla stampa. Lentamente espellere la pallina fuori dello stampo pellet e poi rimuovere con attenzione il pellet.

2. sinterizzazione dei xerogel Pellet in atmosfera inerte

1. Posizionare il pellet xerogel su una piastra di allumina o ossido di zirconio stabilizzato con ittrio e caricare la piastra al centro di un forno tubolare.
2. Flusso di argon ad una velocità di un terzo del volume del tubo di lavoro al minuto. Ciò corrisponde ad una velocità di flusso di argon di 750 mL · min ^-1 per il tubo di lavoro utilizzato in questo lavoro. Sfiatare l'uscita del gas ad una cappa aspirante.
3. Flusso argon per almeno 15 min brima di iniziare il riscaldamento del forno a tubo.
4. Mentre scorre continuamente argon a una velocità costante, il programma di controllo della temperatura del forno tubo al seguente schema di riscaldamento:
   1. Mantenere a temperatura ambiente per 15 min.
   2. Riscaldare a 850 ° C ad una velocità di rampa di 5 ° C · min ^-1.
   3. Riscaldare a temperatura di sinterizzazione ad una determinata velocità di rampa di 2 ° C · min ^-1.
   4. Tenere alla temperatura di sinterizzazione desiderata per 2 h.
   5. Raffreddare a 850 ° C ad una velocità di rampa di 2 ° C · min ^-1.
   6. Raffreddare a temperatura ambiente ad una velocità di rampa di 5 ° C · min ^-1.
5. Avviare il programma e doppio controllo che il forno tubolare sta riscaldando seguire lo schema fornito nella sezione 2.3.
6. Rimuovere pellet dal forno tubo dopo il programma di riscaldamento è stato completato.

3. Determinazione Concentrazione modello Carbon

1. Tagliare un pezzo mg ~ 50 fuorisinterizzata pellet xerogel con un taglierino e macinare in una polvere fine con un mortaio di agata e pestello.
2. Posto ~ 50 mg della polvere fine in una coppetta campione di allumina per analisi termogravimetrica.
3. Utilizzando un analizzatore termogravimetrica (TGA), riscaldare il campione ad una velocità di 10 ° C · min ^-1 dalla temperatura ambiente a 1200 ° C mentre scorre aria sopra il campione ad una velocità di 100 ml · min ^-1.
4. Calcolare la variazione percentuale di peso che si verifica tra ~ 350 ° C e ~ 700 ° C. Questo peso percento corrisponde al contenuto totale di carbonio nel campione.
   NOTA: Se un aumento di peso si verifica nel 350 ° C a 700 ° C gamma, una fase di carburo si è formato e il calcolo del contenuto di carbonio è più complessa. Per questo caso, fare riferimento a calcoli descritti in letteratura. ¹⁴ Carbon analisi elementare è stata utilizzata per confermare che il contenuto di carbonio può essere calcolato dalle misurazioni TGA.

4. Preparazione ad alta Superficie YSZ Impalcature per la rimozione del modello Carbon

1. Posizionare il pellet xerogel sinterizzato in un crogiolo di allumina.
2. Mettere il crogiolo in una fornace di dialogo a 700 ° C per 2 ore.
3. Rimuovere con attenzione il crogiolo caldo dal forno scatola con pinze crogiolo in acciaio inox e lasciarlo raffreddare a temperatura ambiente per un'ora prima di rimuovere il poroso, impalcatura YSZ bianco.

Risultati

Fase purezza è stata confermata mediante diffrazione di raggi X (XRD), come precedentemente riportato da Cottam et al. ¹⁴ YSZ scaffold superficie specifica in funzione della concentrazione di carbonio template è mostrato in Figura 1. La concentrazione è mostrato come la percentuale in volume di solidi totali in pellet xerogel sinterizzato. La concentrazione modello carbonio aumenta sistematicamente all'aumentare della concentrazion...

Discussione

Con questo approccio in situ di template di carbonio, si può creare e conservare nanomorphology in misto-metallo-ossidi a temperature ceramici tradizionali scaffold sinterizzazione. Le superfici risultanti sono fino a 80 volte superiore rispetto scaffold tradizionalmente sinterizzate e fino a 4 volte superiore rispetto ponteggi fabbricati mediante tecniche di deposizione complesse. ¹⁴ Il sistema gel ossido di propilene-glucosio è molto flessibile per l'ottimizzazione della concentr...

Materiali

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