Высокая температура Изготовление наноструктурные стабилизированный оксидом иттрия оксида циркония-(YSZ) на строительные леса<em&gt; В Ситу</em&gt; Углеродные Шаблонизаторы Ксерогели

Резюме

Протокол для изготовления пористых наноструктурных строительных лесов, стабилизированного иттрием циркония (YSZ) при температуре от 1000 ° С до 1400 ° С представлена.

Аннотация

Показано , способ изготовления высокотемпературного пористого наноструктурированного, стабилизированного оксидом иттрия диоксида циркония-(YSZ, 8% мол иттрия - 92% мол диоксида циркония) каркасы с перестраиваемой удельной поверхности до 80 м ² · г ^-1. Водный раствор циркониевой соли, иттрий соли и глюкозы смешивают с оксидом пропилена (PO) с образованием геля. Гель сушат в условиях окружающей среды с образованием ксерогеля. Ксерогель прессовали в таблетки, а затем спекают в атмосфере аргона. В процессе спекания, а YSZ керамической фазы форма и органические компоненты разлагаются, оставляя позади аморфного углерода. Углерода образуется в месте служит в качестве жесткого шаблона, сохраняя высокую поверхностную площадь YSZ наноморфологии при спекании температуры. Углерода затем удаляют путем окисления на воздухе при низкой температуре, в результате чего в пористой, наноструктурного YSZ строительных лесов. Концентрация шаблона углерода и конечной площадь поверхности строительных лесов может быть систематическойLY настроены путем изменения концентрации глюкозы в синтезе геля. Концентрация шаблона углерода количественно с помощью термогравиметрического анализа (ТГА), распределение площадь поверхности и размер пор определ ли с помощью физических измерений адсорбции и морфология охарактеризована методом сканирующей электронной микроскопии (SEM). чистота фаз и размер кристаллитов определ ли с использованием рентгеновской дифракции (XRD). Этот подход обеспечивает изготовление новый, гибкую платформу для реализации беспрецедентных площади поверхности строительных лесов и nanomorphologies для применения преобразования керамического на основе электрохимической энергии, например , твердотельный окисные топливный элемент (ТОТЭ) электроды.

Введение

Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) имеют большие перспективы в качестве альтернативной технологии преобразования энергии для эффективной генерации чистой электроэнергии. ¹ Значительный прогресс был достигнут в исследованиях и разработке этой технологии; Однако, улучшение характеристик электрода по-прежнему необходимо для достижения надежной коммерциализации. Электрод часто содержит пористый керамический каркас, с электрокаталитическими частицами, украшенных на поверхности строительных лесов. Большое число исследований было сосредоточено на увеличение площади поверхности электрокаталитических частиц , чтобы увеличить производительность, ^{2, 3, 4, 5, 6, 7, 8} , но там очень мало исследований по увеличению площади поверхности строительных лесов. Увеличение поверхности строительных лесовОбласть является сложной задачей, так как они спекают при высоких температурах, 1100 ° C до 1500 ° C.

Каркасы , обработанные с помощью традиционных спекания обычно имеют удельную площадь поверхности 0,1-1 м ² · г ^{-1. 8, 9, 10, 11} Есть несколько сообщений об увеличении площади поверхности эшафота. В одном случае, площадь поверхности традиционно спеченного помост был усилен за счет растворения и осаждения поверхности строительных лесов с использованием фтористоводородной кислоты, достигая удельную площадь поверхности 2 м ² · г ^{-1. 12} В другом случае , высокие температуры были полностью избежать с помощью импульсного лазерного осаждения, достигая удельную площадь поверхности 20 м ² · г ^{-1. 13} Обоснованием развития нашей техники было создание изготовления низкой стоимостипроцесс, который обеспечивает беспрецедентные площади поверхности строительных лесов и использует традиционные агломерационных температуры, так что процесс может быть легко приняты. С сообщалось здесь , техника, строительные леса участки поверхности до 80 м ² · г ^-1 было продемонстрировано во время обработки при традиционных температурах спекания. ¹⁴

Наше исследование в первую очередь мотивировано ТОТЭ электродной техники, но техника является более широкое применение и в других областях и приложений. Как правило, на месте Метод углерода шаблонный представляет собой гибкий подход , который может производить наноструктурных, высокую площадь поверхности смешанного металлокерамические материалы в виде порошка или пористой форме строительных лесов. Это гибкий в том, что смесь металлов керамическая композиция, площадь поверхности, пористость и размер пор могут быть настроены на систематической основе. Высокие температуры часто необходимы для формирования желаемой фазы в смешанных металлокерамики, и этот подход сохраняет керамический наноморфологии шотя позволяя одному выбирать по существу, любую температуру обработки.

Этот способ включает синтез гибридного неорганического органического пропилена на основе оксиде геля, с хорошо определить стехиометрии ионов металлов и соотношением неорганических к содержанию органических веществ. Гель сушат в условиях окружающей среды с образованием ксерогеля. Ксерогель спекают в атмосфере аргона при желаемой температуре. При нагревании разлагается органический компонент оставляя за собой шаблон углерода в месте, которое остается на время спекания. Шаблон углерода затем удаляют путем окисления при низкой температуре в воздухе, в результате чего в наноструктурных, высокой площадью поверхности керамической.

протокол

1. Подготовка Pellets ксерогельной

1. Гель Синтез
   1. Добавьте 25 мм магнитную мешалку и 113 мл деионизированной воды к 500 мл химического стакана. Магнитно размешать деионизованной воды на самой высокой скорости, который не образует вихрь.
   2. Медленно добавляют 13.05 г (0,056 моль) безводного хлорида циркония в деионизированной воде с небольшим шагом. После того, как все из безводного хлорида циркония растворится, добавляют 53,29 г (0,296 моль) глюкозы в растворе.
   3. После того, как все растворится глюкозы в растворе, добавляют 3,73 г (0,01 моль) гексагидрата нитрата иттрия к раствору. Увеличение скорости магнитной мешалкой до ~ 700 оборотов в минуту и ​​ждать, пока все гексагидрата нитрата иттрия, чтобы растворить в растворе.
   4. Добавить 42 мл окиси пропилена к раствору. Продолжают перемешивание при температуре ~ 700 оборотов в минуту для оксида пропилена, чтобы смешать с водным раствором. После того, как окись пропилена, смешивают с водным раствором (~ 10 лет), уменьшить магнитное перемешивание то ~ 150 оборотов в минуту.
   5. Продолжают перемешивание до тех пор, мешалку магнитное не перестал двигаться за счет образования геля. Гель, как правило, составляет в пределах 3 мин.
      ПРИМЕЧАНИЯ: Добавление безводного хлористого циркония к деионизированной воде является сильно экзотермической реакцией и безводный хлорид циркония будет шлейфом, если его добавляет слишком быстро.
      Состав, полученный в разделе 1.1. соответствует глюкозы в общем объеме металлов (циркония + иттрий) молярном соотношении 4,5: 1. Результаты раздела Представитель включает в себя данные для глюкозы в общем объеме металлов молярных соотношениях от 0: 1, 2,25: 1, и 4,5: 1. Количество глюкозы в композиции, ограниченно только растворимость глюкозы в растворе. Для справки, максимальная растворимость глюкозы в воде при 20 ° С составляет 47,8% мас. ¹⁵
2. Старение и Стиральный гель
   1. Плотно накройте стакан, содержащий гель с парафильмом и пусть это возраст в течение 24 ч, оставляя закрытый химический стакан при комнатной температуре.
   2. Удалите крышку из стакана и декантируют жидкость в верхней части геля.
   3. Добавьте 300 мл абсолютного этанола в химический стакан, содержащего гель, плотно покрывает мензурку с Parafilm, и оставить закрытый химический стакан при комнатной температуре в течение 24 ч.
   4. Повторите шаг 1.2.3 еще два раза в общей сложности три промывных этанола в течение общего периода в 72 ч.
3. Сушка геля в ксерогель
   1. Удалите гель из стакана и поместите его в 2 л фарфорового испарительной чашки (24 см снаружи верхнего диаметра) с использованием лабораторного шпателя.
   2. Перерыв геля в примерно 1 см х 1 см куски с помощью шпателя и разложить кусочки по поверхности поддона испарителя.
   3. Пусть кусочки геля сушить при температуре окружающей среды в течение одной недели или пока гель высохнет. Гель считается сухим, когда он может быть измельчен в мелкий порошок.
   4. Измельчите все ксерогеля в мелкий порошок с помощью ступки и пестика.
      Примечание: После того, как гель высохнет, тосчитается ксерогелем, потому что его сушили в условиях окружающей среды.
4. Нажатие ксерогельного в Пелле
   1. Поместите 1 г порошка ксерогеля в цилиндрическую пресс-гранул пресс-форму диаметром 13 мм.
   2. С помощью гидравлического пресса, применять 22 кН силы в течение 90 с, чтобы нажать гель ксерогель в таблетку.
   3. Медленно отпустите силу, приложенную в прессе. Медленно извлечь таблетку из гранул штампа, а затем осторожно удалить осадок.

2. Спекание ксерогеля Пелле в инертной атмосфере

1. Поместите ксерогель осадок на оксиде алюминия или оксид иттрия диоксида циркония стабилизирована пластину и загрузить пластину в центр трубчатой ​​печи.
2. Расход аргона со скоростью одной трети объема рабочей трубы в минуту. Это соответствует скорости потока аргона в 750 мл · мин ^-1 для рабочей трубки , используемой в этой работе. Вентиляционный выход газа в вытяжном шкафу.
3. Расход аргона в течение по крайней мере 15 мин бEfore начинает нагреваться трубчатой ​​печи.
4. При постоянном токе аргона с постоянной скоростью, программа контроллера температуры трубчатой ​​печи со следующим графиком нагрева:
   1. Удержание при комнатной температуре в течение 15 мин.
   2. Нагревают до 850 ° С при скорости нагрева 5 ° С · мин ^-1.
   3. Нагревают до требуемой температуры спекания при скорости нагрева 2 ° C · мин ^-1.
   4. Удержание при желаемой температуре спекания в течение 2 ч.
   5. Смесь охлаждают до 850 ° С при скорости нагрева 2 ° C · мин ^-1.
   6. Охлаждают до комнатной температуры при скорости нагрева 5 ° С · мин ^-1.
5. Запустить программу и дважды проверить, что печь трубки нагревается в соответствии с графиком, представленным в разделе 2.3.
6. Удалить осадок из трубчатой ​​печи после того, как программа нагрева завершена.

3. Определение углерода шаблона Концентрация

1. Вырезать мг кусок ~ 50 из рядаспеченный ксерогель осадок с помощью ножа и измельчить его в мелкий порошок с агатовой ступкой и пестиком.
2. Место ~ 50 мг мелкодисперсного порошка в чашку образца оксида алюминия для термогравиметрического анализа.
3. Использование термогравиметрического анализатора (TGA), нагрев образца со скоростью 10 ° С · мин ^-1 от температуры окружающей среды до 1200 ° С при потоке воздуха над образцом со скоростью 100 мл · мин ^-1.
4. Рассчитывают процентное изменение веса, которое происходит между ~ 350 ° С и ~ 700 ° C. Этот весовой процент соответствует общему содержанию углерода в образце.
   Примечание: Если увеличение веса происходит в 350 ° C до 700 ° C диапазона, фаза карбида сформировал и расчет содержания углерода является более сложным. В этом случае, пожалуйста, обратитесь к расчетам, описанным в литературе. ¹⁴ углерод элементного анализа был использован для подтверждения того, что содержание углерода может быть рассчитано из измерений TGA.

4. Подготовка высокого Площадь ЦСИ Эшафот по удалению углерода шаблона

1. Поместите спеченный ксерогель осадок в тигле из глинозема.
2. Поместите тигель в камеру печи при 700 ° С в течение 2 ч.
3. Осторожно удалите горячий тигель из печи коробки из нержавеющей стали с тигельными щипцами и дать ему остыть до комнатной температуры в течение одного часа перед удалением пористых белого YSZ строительных лесов.

Результаты

Чистота фаз была подтверждена с помощью рентгеновской дифракции (XRD) , как ранее сообщали Коттэй и соавт. ¹⁴ YSZ , подмости удельная площадь поверхности в зависимости от концентрации матрицы углерода показана на рисунке 1. Концентрация показан к...

Обсуждение

При этом на месте углерода шаблонного подхода, можно создать и сохранить наноморфологии в смешанных металлических оксидов на традиционных керамических температурах леска спекания. Полученные площади поверхности до 80 раз выше, чем традиционно спеченных каркасы и до 4 раз выше, че?...

Материалы

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