Fabricação de alta temperatura de nanoestruturado ria-Stabilized Zirconia-Scaffolds (ZEI) pela<em&gt; In Situ</em&gt; Carbono Templating xerogéis

Resumo

Um protocolo para a fabricação de matrizes porosas, nanoestruturada estabilizada com ítria-zircónia (YSZ), a temperaturas entre 1000 ° C e 1400 ° C, é apresentada.

Resumo

Nós demonstramos um método para a fabricação de alta temperatura poroso, nanoestruturada estabilizada com ítria-zircónia (YSZ, 8% molar de óxido de ítrio - 92% em mol de zircónia) andaimes com áreas de superfície específicas sintonizáveis até 80 m ² g ^-1 ·. Uma solução aquosa de um sal de zircónio, ítrio sal, e glicose é misturado com óxido de propileno (PO) para formar um gel. O gel é seco sob condições ambientes para formar um xerogel. O xerogel é pressionado em peletes e depois sinterizadas numa atmosfera de árgon. Durante a sinterização, a YSZ formas de fase de cerâmica e os componentes orgânicos decomponha, deixando atrás de carbono amorfo. O carbono formado in situ serve como um molde duro, preservando uma nanomorfologia área de superfície elevada no YSZ temperatura de sinterização. O carbono é subsequentemente removido através de oxidação ao ar a baixa temperatura, resultando em um poroso, andaime nanoestruturada YSZ. A concentração do molde de carbono e a área de superfície andaime final pode ser sistemáticaly sintonizada por variação da concentração de glucose na síntese de gel. A concentração de molde de carbono foi quantificada usando análise termogravimétrica (TGA), a área de superfície e de distribuição de tamanho de poro foi determinado por meio de medições de adsorção física, e a morfologia foi caracterizada utilizando microscopia electrónica de varrimento (MEV). pureza de fase e o tamanho de cristalite foi determinada utilizando difracção de raios-X (DRX). Esta abordagem proporciona uma nova fabricação, plataforma flexível para realizar a áreas de superfície de andaime sem precedentes e nanomorphologies para aplicações cerâmicas à base de conversão de energia electroquímica, por exemplo, células de combustível de óxido sólido (SOFC) eléctrodos.

Introdução

A célula de combustível de óxido sólido (SOFC) é uma grande promessa como uma tecnologia de conversão de energia alternativa para a geração eficiente de energia eléctrica limpo. ¹ Um progresso considerável foi feito na pesquisa e desenvolvimento desta tecnologia; no entanto, melhorias no desempenho eletrodo ainda são necessários para atingir a comercialização de confiança. O eléctrodo compreende muitas vezes uma estrutura de suporte de cerâmica porosa com as partículas electrocatalíticas decorado na superfície do andaime. Um grande corpo de investigação tem-se centrado em aumentar a área da superfície das partículas electrocatalíticas para aumentar o desempenho, ^{2, 3, 4, 5, 6, 7, 8,} mas não é muito pouco pesquisa sobre o aumento da área de superfície do andaime. O aumento da superfície do andaimeárea é um desafio porque eles são sinterizados a temperaturas elevadas, 1100 ° C a 1500 ° C.

Andaimes processados por sinterização tradicional têm tipicamente uma área de superfície específica de 0,1-1 m ² · g ^{-1. 8, 9, 10, 11} Existem alguns relatórios sobre o aumento da área de superfície do andaime. Em um caso, a área de superfície de um andaime tradicional sinterizado foi reforçada por dissolução e precipitação da superfície do andaime utilizando ácido fluorídrico, atingir uma área de superfície específica de 2 m ² · g ^{-1. 12} Em outro, altas temperaturas foram totalmente evitados por meio de deposição por laser pulsado, alcançar uma área de superfície específica de 20 m ² g ^-1 ·. ¹³ A lógica por trás do desenvolvimento de nossa técnica era criar uma fabricação de baixo custoprocesso que fornece áreas de superfície de andaime sem precedentes e usa temperaturas de sinterização tradicionais para que o processo possa ser adotadas facilmente. Com a técnica descrita aqui, as áreas de superfície de andaime superior a 80 m ² g ^-1 · foram demonstradas enquanto está a ser processado a temperaturas de sinterização tradicionais. ¹⁴

Nossa pesquisa é motivado principalmente pela engenharia eletrodo SOFC, mas a técnica é mais amplamente aplicável a outras áreas e aplicações. Geralmente, o método in situ de moldação de carbono é uma abordagem flexível que pode produzir nanoestruturada, da área de superfície elevada misto de metais materiais cerâmicos na forma de pó ou estrutura porosa. É flexível em que a composição cerâmica mista-metal, a área de superfície, a porosidade e o tamanho de poro podem ser sintonizado de forma sistemática. As altas temperaturas são muitas vezes necessários para formar a fase desejada em cerâmica mista de metal, e esta abordagem preserva nanomorfologia cerâmica wnquanto permitindo que se possa escolher, essencialmente, qualquer temperatura de processamento.

Este método envolve a síntese de um gel híbrido inorgânico-orgânico baseado no-óxido de propileno, com uma estequiometria bem definir de iões metálicos e a relação de inorgânica para o conteúdo orgânico. O gel é seco sob condições ambientes para formar um xerogel. O xerogel é sinterizado numa atmosfera de árgon à temperatura desejada. Depois do aquecimento, o componente orgânico decompõe-se deixando para trás um modelo de carbono in situ, que permanece durante o período de sinterização. O modelo de carbono é subsequentemente removido por oxidação a baixa temperatura ao ar, resultando num nanoestruturada, elevada área da superfície de cerâmica.

Protocolo

1. Preparar Pellets xerogel

1. Síntese gel
   1. Adicionar uma 25 milímetros barra de agitação magnética e 113 mL de água de s ionizada para um copo de 500 ml. Magneticamente agitar a água deionizada a uma taxa mais alta que não formam um vórtice.
   2. Adiciona-se lentamente 13,05 g (0,056 mol) de cloreto de zircónio anidro à água desionizada em pequenos incrementos. Depois de todo o cloreto de zircónio anidro foi dissolvido, adicionar 53,29 g (0,296 mol) de glicose para a solução.
   3. Depois de toda a glucose foi dissolvida na solução, adicionar 3,73 g (0,01 mol) de hexa-hidrato de nitrato de itrio para a solução. Aumentar a taxa de agitação magnética a ~ 700 rpm e esperar por todo o hexa-hidrato de nitrato de itrio para se dissolver em solução.
   4. Adicionar 42 ml de óxido de propileno à solução. Continue a agitação a ~ 700 rpm, para o óxido de propileno para se misturar com a solução aquosa. Uma vez que o óxido de propileno é misturado com a solução aquosa (~ 10 s), diminuir a agitação magnética tO ~ 150 rpm.
   5. Continuar a agitação até que a barra de agitação magnética parou de se mover devido à formação de gel. O gel forma, tipicamente, dentro de 3 min.
      NOTAS: Adição de cloreto de zircónio anidro a água desionizada é uma reacção fortemente exotérmica e o cloreto de zircónio anidro vai pluma se for adicionado demasiado depressa.
      A formulação previsto no item 1.1. corresponde a uma glicose aos metais totais (zircónio) + ítrio razão molar de 4,5: 1. A secção de resultados representativos incluem os dados de glicose para proporções totais metais molares de 0: 1, 2,25: 1 e 4,5: 1. A quantidade de glucose na formulação só é limitado pela solubilidade da glucose na solução. Para referência, a solubilidade máxima de glucose em água a 20 ° C é de 47,8% em peso. ¹⁵
2. Envelhecimento e Lavar o Gel
   1. Firmemente cobrir a proveta contendo o gel com Parafilm e deixá-lo idade durante 24 h, deixando o copo coberto à temperatura ambiente.
   2. Remover a tampa do recipiente e decanta-se o líquido na parte superior do gel.
   3. Adicionar 300 mL de etanol absoluto a um copo contendo o gel, bem cobrir o copo com Parafilm e deixar o copo coberto à temperatura ambiente durante 24 h.
   4. Repetir o passo 1.2.3 mais duas vezes para um total de três lavagens de etanol ao longo de um período total de 72 h.
3. Secagem do gel em um xerogel
   1. Remover o gel a partir da proveta e coloca-se numa placa de evaporação de 2 L de porcelana (24 cm de diâmetro exterior superior) usando uma espátula de laboratório.
   2. Quebrar o gel em cerca de 1 cm x 1 cm pedaços com uma espátula e espalhar-se os pedaços sobre a superfície do prato de evaporação.
   3. Deixe os pedaços de gel seco em condições ambientais durante uma semana ou até que o gel é seco. O gel é considerada seca quando ele pode ser moído para um pó fino.
   4. Moer toda a xerogel em um pó fino com um almofariz e pilão.
      Observação: Uma vez que o gel é seco, éconsiderado um xerogel porque foi seco sob condições ambientais.
4. Pressionando o xerogel em um Pellet
   1. Colocar 1 g de pó de xerogel em uma matriz cilíndrica sedimento prima com um diâmetro de 13 mm.
   2. Utilizando uma prensa hidráulica, se aplicam 22 kN de força de 90 s para pressionar o gel de xerogel num pelete.
   3. Liberam lentamente a força aplicada pela imprensa. Lentamente ejectar o sedimento para fora da matriz de sedimento e, em seguida, remover cuidadosamente o sedimento.

2. sinterização do xerogel Pellet em uma atmosfera inerte

1. Coloque o sedimento xerogel para uma placa de alumina ou zircónia estabilizada com ítria e carregar o prato para o centro de um forno tubular.
2. Fluxo de árgon, a uma taxa de um terço do volume do tubo de trabalho por minuto. Isto corresponde a uma taxa de fluxo de árgon de 750 mL? Min ^-1 para o tubo de trabalho usado neste trabalho. Purgue a saída de gás de um exaustor de fumos.
3. Fluxo de árgon, durante pelo menos 15 min bntes de partida para aquecer o forno de tubo.
4. Enquanto que flui continuamente de árgon, a uma taxa constante, o programa controlador de temperatura de forno de tubo com o seguinte esquema de aquecimento:
   1. Mantenha à temperatura ambiente durante 15 min.
   2. Aquece-se a 850 ° C a uma velocidade de rampa de 5 ° C? Min ^-1.
   3. Aquecer a temperatura de sinterização desejado a uma velocidade de rampa de 2 ° C · min ^-1.
   4. Manter à temperatura de sinterização desejado durante 2 h.
   5. Arrefece-se até 850 ° C a uma velocidade de rampa de 2 ° C · min ^-1.
   6. Arrefecer até à temperatura ambiente a uma velocidade de rampa de 5 ° C? Min ^-1.
5. Inicie o programa e dupla verificação de que o forno de tubo está a aquecer-se a seguir o calendário fornecido na secção 2.3.
6. Retirar sedimento a partir do forno de tubo depois de o programa de aquecimento foi concluída.

3. determinar a concentração de molde de Carbono

1. Cortar um pedaço mg ~ 50 para fora dopelete xerogel sinterizado com uma faca e moê-lo em um pó fino com um almofariz de ágata e pilão.
2. Lugar ~ 50 mg do pó fino, dentro de um copo de amostra de alumina por análise termogravimétrica.
3. Utilizando um analisador de termogravimétrica (TGA), a amostra é aquecida a uma taxa de 10 ° C? Min ^-1 a partir de temperatura ambiente até 1200 ° C, enquanto que flui ar através da amostra a uma taxa de 100 mL? Min ^-1.
4. Calcular a percentagem de alteração no peso que ocorre entre ~ 350 ° C e ~ 700 ° C. Este por cento em peso corresponde ao teor de carbono total na amostra.
   NOTA: Se ocorre um aumento de peso na 350 ° C a 700 ° C gama, uma fase de carboneto formou e o cálculo do teor de carbono é mais complexo. Para este caso, consulte cálculos descritos na literatura. ¹⁴ Análise elementar de carbono tem sido utilizado para confirmar que o teor de carbono pode ser calculado a partir de medições de TGA.

4. Preparar alta Superfície Área YSZ andaime por Template carbono Remoção

1. Coloque o sedimento xerogel sinterizado num cadinho de alumina.
2. Colocar o cadinho num forno de caixa a 700 ° C durante 2 h.
3. remover cuidadosamente o cadinho quente a partir do forno de caixa com aço inoxidável pinças cadinho e permitir o arrefecimento até à temperatura ambiente durante uma hora antes de remover a poroso, de andaime YSZ branco.

Resultados

Pureza fases foi confirmada pela difracção de raios-X (XRD) tal como anteriormente relatado por Cottam et al. ¹⁴ YSZ andaime área superficial específica como uma função da concentração de molde de carbono é mostrado na Figura 1. A concentração é apresentado como a percentagem em volume de sólidos totais no sedimento xerogel sinterizado. A concentração de molde de carbono aumenta sistematicamente com o aumento da concentraç...

Discussão

Com esta abordagem de moldação de carbono in situ, pode-se criar e preservar nanomorfologia em misto metal-óxidos a temperaturas de sinterização de cerâmica andaime tradicionais. As áreas de superfície resultantes são até 80 vezes maior do que andaimes tradicionalmente sinterizados e até 4 vezes mais elevados do que andaimes fabricados por técnicas de deposição de complexos. ¹⁴ O sistema de gel de óxido de propileno-glicose é altamente flexível para ajustar a concentraç...

Materiais

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