Name: probing and mapping electrode surfaces in solid oxide fuel cells
Uploaded: 2012-09-20T13:00:00
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Ce travail a été soutenu par le Centre HeteroFoaM, un centre de recherche sur l&#39;énergie Frontier financé par le Département américain de l&#39;énergie, Bureau de la science, Bureau des sciences fondamentales de l&#39;énergie (BES) sous le numéro DE-prix SC0001061.

1. Fabrication d&#39;une Cellule YSZ-embedded Mesh anode <ol><li> Peser deux lots de 0,2 g de poudre YSZ. </li><li> Comprimer une poudre YSZ lot dans un moule cylindrique en acier inoxydable (13 mm de diamètre) d&#39;une presse uniaxiale à sec sous une pression de 50 MPa pendant 30 sec. </li><li> Coupez un &lt;1 cm de morceau de Ni-filet et le placer sur la surface de YSZ disque à l&#39;intérieur du moule. </li><li> Ajouter l&#39;autre 0,2 g de poudre de YSZ sur le dessus de la grille de Ni à l&#39;intérieur du ...

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	<li>Minh, N. Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Solid+oxide+fuel+cell+technology-features+and+applications.">Solid oxide fuel cell technology-features and applications.</a> Solid State Ionics. 174 (1-4), 271 (2004).</li><li>Liu, M., Lynch, M. E., Blinn, K., Alamgir, F., Choi, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rational+SOFC+material+design:+new+advances+and+tools.">Rational SOFC material design: new advances and tools.</a> Materials today. 14 (11), 534 (2011).</li><li>Zhan, Z. L., Barnett, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+octane-fueled+solid+oxide+fuel+cell.">An octane-fueled solid oxide fuel cell.</a> Science. 308, 844 (2005).</li><li>Huang, Y. H., Dass, R. I., Xing, Z. L., Goodenough, J. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Double+perovskites+as+anode+materials+for+solid+oxide+fuel+cells.">Double perovskites as anode materials for solid oxide fuel cells.</a> Science. 312, 254 (2006).</li><li>Yang, L., Wang, S., Blinn, K., Liu, M., Liu, Z., Cheng, Z., Liu, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Enhanced+Sulfur+and+Coking+Tolerance+of+a+Mixed+Ion+Conductor+for+SOFCs:+BaZr0.1Ce0.7Y0.2-xYbxO3-d.">Enhanced Sulfur and Coking Tolerance of a Mixed Ion Conductor for SOFCs: BaZr0.1Ce0.7Y0.2-xYbxO3-d.</a> Science. 326, 126 (2009).</li><li>Liu, M. F., Choi, Y. M., Yang, L., Blinn, K., Qin, W., Liu, P., Liu, M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+octane+fuel+cells:+A+promising+power+for+transportation.">Direct octane fuel cells: A promising power for transportation.</a> Nano Energy. 1, 448 (2012).</li><li>Cheng, Z., Wang, J. -. H., Choi, Y. M., Yang, L., Lin, M. C., Liu, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=From+Ni-YSZ+to+sulfur-tolerant+anodes+for+SOFCs:+electrochemical+behavior,+in+situ+characterization,+modeling,+and+future+perspectives.">From Ni-YSZ to sulfur-tolerant anodes for SOFCs: electrochemical behavior, in situ characterization, modeling, and future perspectives.</a> Energy &amp; Environmental Science. 4 (11), 4380 (2011).</li><li>Blinn, K. S., Abernathy, H. W., Li, X., Liu, M. F., Liu, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Raman+spectroscopic+monitoring+of+carbon+deposition+on+hydrocarbon-fed+solid+oxide+fuel+cell+anodes.">Raman spectroscopic monitoring of carbon deposition on hydrocarbon-fed solid oxide fuel cell anodes.</a> Energy &amp; Environmental Science. 5, 7913 (2012).</li><li>Abernathy, H. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Investigations of Gas/Electrode Interactions in Solid Oxide Fuel Cells Using Vibrational Spectroscopy [dissertation]. , (2008).</li><li>Pomfret, M. B., Owrutsky, J. C., Walker, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-temperature+Raman+spectroscopy+of+solid+oxide+fuel+cell+materials+and+processes.">High-temperature Raman spectroscopy of solid oxide fuel cell materials and processes.</a> Journal of Physical Chemistry B. 110 (35), 17305 (2006).</li><li>Cheng, Z., Liu, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+sulfur+poisoning+of+Ni-YSZ+anodes+for+solid+oxide+fuel+cells+using+in+situ+Raman+microspectroscopy.">Characterization of sulfur poisoning of Ni-YSZ anodes for solid oxide fuel cells using in situ Raman microspectroscopy.</a> Solid State Ionics. 178 (13-14), 925 (2007).</li><li>Li, X., Blinn, K., Fang, Y., Liu, M., Mahmoud, M. A., Cheng, S., Bottomley, L. A., El-Sayed, M., Liu, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Application+of+surface+enhanced+Raman+spectroscopy+to+the+study+of+SOFC+electrode+surfaces.">Application of surface enhanced Raman spectroscopy to the study of SOFC electrode surfaces.</a> Physical Chemistry Chemical Physics. 14, 5919 (2012).</li><li>Dresselhaus, M. S., Jorio, A., Hofmann, M., Dresselhaus, G., Saito, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Perspectives+on+Carbon+Nanotubes+and+Graphene+Raman+Spectroscopy.">Perspectives on Carbon Nanotubes and Graphene Raman Spectroscopy.</a> Nano Letters. 10, 751 (2010).</li><li>Su, C., Ran, R., Wang, W., Shao, Z. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coke+formation+and+performance+of+an+intermediate-temperature+solid+oxide+fuel+cell+operating+on+dimethyl+ether+fuel.">Coke formation and performance of an intermediate-temperature solid oxide fuel cell operating on dimethyl ether fuel.</a> Journal of Power Sources. 196, 1967 (2011).</li><li>Cheng, Z., Abernathy, H., Raman Liu, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spectroscopy+of+Nickel+Sulfide+Ni3S2.">Spectroscopy of Nickel Sulfide Ni3S2.</a> Journal of Physical Chemistry C. 111 (49), 17997 (2007).</li><li>Yang, L., Choi, Y., Qin, W., Chen, H., Blinn, K., Liu, M., Liu, P., Bai, J., Tyson, T. A., Liu, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Promotion+of+water-mediated+carbon+removal+bynanostructured+barium+oxide/nickel+interfaces+in+solid+oxide+fuel+cells.">Promotion of water-mediated carbon removal bynanostructured barium oxide/nickel interfaces in solid oxide fuel cells.</a> Nature Communications. 2, 357 (2011).</li><li>Kumar, A., Ciucci, F., Morzovska, A., Kalinin, S., Jesse, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measuring+oxygen+reduction/evolution+reactions+on+the+nanoscale.">Measuring oxygen reduction/evolution reactions on the nanoscale.</a> Nature Chemistry. 3, 707 (2011).</li><li>Kumar, A., Arruda, T. M., Kim, Y., Ivanov, I. N., Jesse, S., Bark, C. W., Bristowe, N. C., Artacho, E., Littlewood, P. B., Eom, C. B., Kalinin, S. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Probing+Surface+and+Bulk+Electrochemical+Processes+on+the+LaAlO3-SrTiO3+Interface.">Probing Surface and Bulk Electrochemical Processes on the LaAlO3-SrTiO3 Interface.</a> ACS Nano. 6 (5), 3841 (2012).</li><li>Katsiev, K., Yildiz, B., Balasubramaniam, K., Salvador, P. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electron+Tunneling+Characteristics+on+La0.7Sr0.3MnO3+Thin-Film+Surfaces+at+High+Temperature.">Electron Tunneling Characteristics on La0.7Sr0.3MnO3 Thin-Film Surfaces at High Temperature.</a> Applied Physics Letters. 95 (9), 092106 (2009).</li><li>Jesse, S., Kumar, A., Arruda, T. M., Kim, Y., Kalinin, S. V., Ciucci, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrochemical+strain+microscopy:+Probing+ionic+and+electrochemical+phenomena+in+solids+at+the+nanometer+level.">Electrochemical strain microscopy: Probing ionic and electrochemical phenomena in solids at the nanometer level.</a> MRS Bulletin. 37 (7), 651-65 (2012).</li><li>Datta, S. S., Strachan, D. R., Mele, E. J., Johnson, A. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Surface+Layers+and+Layer+Charge+Distributions+in+Few-Layer+Graphene+Films.">Surface Layers and Layer Charge Distributions in Few-Layer Graphene Films.</a> Nano Letters. 9, 7 (2009).</li><li>Coffey, D. C., Ginger, D. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Time-resolved+electrostatic+force+microscopy+of+polymer+solar+cells.">Time-resolved electrostatic force microscopy of polymer solar cells.</a> Nature Materials. 5 (9), 735 (2006).</li><li>Nakamura, M., Yamada, H., Morita, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Roadmap of Scanning Probe Microscopy. , (2007).</li><li>Girard, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrostatic+force+microscopy:+principles+and+some+applications+to+semiconductors.">Electrostatic force microscopy: principles and some applications to semiconductors.</a> Nanotechnology. 12, 485 (2001).</li><li>Rasmussen, J. F. B., Hagen, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+effect+of+H2S+on+the+performance+of+Ni-YSZ+anodes+in+solid+oxide+fuel+cells.">The effect of H2S on the performance of Ni-YSZ anodes in solid oxide fuel cells.</a> Journal of Power Sources. 191 (2), 534 (2009).</li><li>Zha, S. W., Cheng, Z., Liu, M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sulfur+poisoning+and+regeneration+of+Ni-based+anodes+in+solid+oxide+fuel+cells.">Sulfur poisoning and regeneration of Ni-based anodes in solid oxide fuel cells.</a> Journal of The Electrochemical Society. 154 (2), B201 (2007).</li><li>Liu, M. F., Ding, D., Blinn, K., Li, X., Nie, L., Liu, M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Enhanced+performance+of+LSCF+cathode+through+surface+modification.">Enhanced performance of LSCF cathode through surface modification.</a> International Journal of Hydrogen Energy. 37 (10), 8613 (2012).</li><li>Park, H., Li, X., Blinn, K. S., Liu, M., Lai, S., Bottomley, L. A., Liu, M., Park, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Probing+coking+resistance+from+nanoscale:+a+study+of+patterned+BaO+nanorings+over+nickel+surface.">Probing coking resistance from nanoscale: a study of patterned BaO nanorings over nickel surface.</a> , (2012).</li></ol>

Analyse empoisonnement par le soufre Les spectres d&#39;impédance représenté sur la figure 5 indiquent que l&#39;empoisonnement au soufre est un phénomène de surface ou interfaciale plutôt que celui qui affecte la masse du matériau. Plus précisément, l&#39;empoisonnement rapide de l&#39;électrode de grille Ni (figure 6) pouvant résulter de l&#39;exposition directe de l&#39;électrode Ni le gaz combustible et de soufre adsorption ultérieure; diffusio...

<table border="1"><tbody><tr><td> Nom de réactif / Matériel </td><td> Entreprise </td><td> Numéro de catalogue </td><td> Commentaires </td></tr><tr><td> Maille de nickel </td><td> Alfa Aesar </td><td> CAS: 7440-02-0 </td><td></td></tr><tr><td> Ni feuille </td><td> Alfa Aesar </td><td> CAS: 7440-02-0 </td><td></td></tr><tr><td> YSZ poudre </td><td> TOSOH </td><td> Lot n °: S800888B </td><td></td></tr><tr><td> Ag pâte </td><td> Heraeus </td><td> C8710 </td><td></td></tr><tr><td> L&#39;oxyde de baryum </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 1304-28-5 </td><td></td></tr><tr><td> Fil d&#39;argent </td><td> Alfa Aesar </td><td> 7440-22-4 </td><td></td></tr><tr><td> Acétone </td><td> VWR </td><td> 67-64-1 </td><td></td></tr><tr><td> L&#39;éthanol </td><td> Alfa Aesar </td><td> 64-17-5 </td><td&gt; </td></tr><tr><td> UHP H 2 </td><td> Airgas </td><td></td><td> Pureté de 99,999% </td></tr><tr><td> 100 ppm 2 S / H 2 H </td><td> Airgas </td><td></td><td> Certifié coutume mélange </td></tr><tr><td> Si de type n AFM pointe </td><td> MikroMasch </td><td> NSC16 </td><td> Un rayon de 10 nm pointe </td></tr><tr><td> Au couché AFM pointe </td><td> MikroMasch </td><td> CSC11/Au/Cr </td><td> 20-30 rayon de la pointe nm </td></tr><tr><td> Spectromètre Raman </td><td> Renishaw </td><td> RM1000 </td><td></td></tr><tr><td> Ar ion laser </td><td> ModuLaser </td><td> StellarPro 150 </td><td></td></tr><tr><td> Laser He-Ne </td><td> Thorlabs </td><td> HPL170 </td><td></td></tr><tr><td> Microscope à Force Atomique </td><td> Veeco </td><td> Nanoscope IIIA </td><td></td></tr><tr><td> Déplacement Stade Raman </td><td> Avant scientifique </td><td> H101RNSW </td><td></td></tr><tr><td> Microscope optique </td><td> Leica </td><td> DMLM </td><td></td></tr><tr><td> Microscope Electronique à Balayage </td><td> LEO </td><td> 1550 </td><td></td></tr><tr><td> Four tubulaire </td><td> Tests effectués </td><td> 2110 </td><td></td></tr><tr><td> Polisseur </td><td> Allied produits de haute technologie </td><td> MetPrep </td><td></td></tr><tr><td> 6 pm Grincement des médias </td><td> Allied produits de haute technologie </td><td> 50-50040M </td><td></td></tr><tr><td> 3 supports de polissage pm </td><td> Allied produits de haute technologie </td><td> 90-30020 </td><td></td></tr><tr><td> 1 média de polissage pm </td><td> Allied produits de haute technologie </td><td> 90-30015 </td><td></td></tr><tr><td> 0,1 média de polissage pm </td><td> Allied produits de haute technologie </td><td> 90-32000 </td><td></td></tr><tr><td> Raman chambre </td><td> Harrick scientifique </td><td> HTRC </td><td></td></tr></tbody></table>

probing and mapping electrode surfaces in solid oxide fuel cells

Piles à oxyde solide (SOFC) sont potentiellement la solution la plus efficace et rentable à l&#39;utilisation d&#39;une grande variété de combustibles au-delà de l&#39;hydrogène 1-7. La performance des piles SOFC et les taux de nombreux produits chimiques et des procédés de transformation de l&#39;énergie dans le stockage d&#39;énergie et dispositifs de conversion en général sont principalement limitées par le transfert de masse et de charge le long des surfaces d&#39;électrodes et à travers les interfaces. Malheureusement, la compréhension des mécanismes de ces processus sont encore insuffisantes, en raison principalement de la difficulté de caractériser ces processus dans des conditions in situ. Ce manque de connaissances est un obstacle majeur à la commercialisation SOFC. Le développement d&#39;outils pour sonder et cartographier la chimie de surface pertinentes à des réactions d&#39;électrodes est essentielle pour élucider les mécanismes des processus de surface et à la réalisation de la conception rationnelle de nouveaux matériaux d&#39;électrodes pour le stockage d&#39;énergie plus efficace et la conversion 2. Parmi les rares relativement in situ &lt;/ Em&gt; Méthodes d&#39;analyse de surface, la spectroscopie Raman peut être réalisée même avec des températures élevées et des ambiances difficiles, le rendant idéal pour la caractérisation des processus chimiques pertinents à la performance anode de SOFC et la dégradation 8-12. Il peut également être utilisé conjointement avec des mesures électrochimiques, permettant potentiellement corrélation directe de l&#39;électrochimie à la chimie de surface dans une cellule d&#39;exploitation. Une bonne cartographie des mesures in situ Raman serait utile pour les broches de pointage importants mécanismes réactionnels anode en raison de sa sensibilité aux espèces concernées, y compris la dégradation des performances anode à 8 dépôt de carbone, 10, 13, 14 («coke») et empoisonnement par le soufre 11, 15 et la manière dont les modifications de surface conjurer cette dégradation 16. Le travail actuel démontre des progrès significatifs vers cette capacité. En outre, la famille de la microscopie à sonde à balayage (SPM) fournit une approche des techniques spéciales pour interroger l&#39;électrode la surface avec une résolution nanométrique. Outre la topographie de la surface qui sont systématiquement recueillis par l&#39;AFM et STM, d&#39;autres propriétés telles que locaux états électroniques, le coefficient de diffusion des ions et le potentiel de surface peut aussi être étudiée 17-22. Dans ce travail, des mesures électrochimiques, la spectroscopie Raman, et SPM a été utilisé en conjonction avec une plate-forme d&#39;électrode nouveau test qui se compose d&#39;une électrode à mailles Ni incorporé dans un oxyde d&#39;yttrium-zirconium stabilisé (YSZ) d&#39;électrolyte. Les essais de performance des cellules et la spectroscopie d&#39;impédance dans de carburant contenant de l&#39;H 2 S a été caractérisée, et la cartographie Raman a été utilisée pour élucider la nature du empoisonnement par le soufre. La surveillance Raman in situ a été utilisée pour étudier le comportement de cokéfaction. Enfin, la microscopie à force atomique (AFM) et microscopie à force électrostatique (EFM) ont été utilisés pour visualiser plus de dépôt de carbone à l&#39;échelle nanométrique. De cette recherche, nous voulons produire une image plus complète de l&#39;anode de SOFC.

Analyse empoisonnement par le soufre Le montre la figure 4 sont typiques des courbes IV et IP d&#39;une cellule avec une électrode de grille Ni sous H 2 et de l&#39;état 20 ppm de H2S. De toute évidence, l&#39;introduction de même quelques ppm de H 2 S peut empoisonner l&#39;anode de Ni-YSZ et entraîner une dégradation considérable des performances. Afin de mieux comprendre le comportement intensive empoisonne...

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Probing and Mapping Electrode Surfaces in Solid Oxide Fuel Cells

Nous présentons une plate-forme unique pour caractériser les surfaces d&#39;électrodes dans les piles à combustible à oxyde (SOFC) qui permet d&#39;effectuer simultanément des techniques de caractérisation multiples (<em&gt; Par exemple in situ</em&gt; Spectroscopie Raman et la microscopie à sonde à côté des mesures électrochimiques). Informations complémentaires à partir de ces analyses peuvent aider à avancer vers une compréhension plus profonde de la réaction d&#39;électrode et les mécanismes de dégradation, donnant un aperçu de la conception rationnelle de meilleurs matériaux pour SOFC.

Exploration et cartographie des surfaces d&#39;électrodes en piles à oxyde solide

Solid oxide fuel cells (SOFCs) are potentially the most efficient and cost-effective solution to utilization of a wide variety of fuels beyond hydrogen ...

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