Name: high temperature fabrication of nanostructured yttria-stabilized-zirconia (ysz) scaffolds by in situ carbon templating xerogels
Uploaded: 2017-04-16T15:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about High Temperature Fabrication of Nanostructured Yttria-Stabilized-Zirconia YSZ Scaffolds by In Situ Carbon Templating Xerogels at JoVE.com

Dette arbejde blev støttet af Wake Forest Kemi Institut og Wake Forest Center for Energi, Miljø og Bæredygtighed (CEES). Vi takker Charles Mooney og Analytisk Instrumentation Facility i North Carolina State University for at få hjælp med SEM billeddannelse.

1. Forberedelse xerogel Pellets <ol><li> gel Synthesis <ol><li> Tilføj et 25 mm magnetisk omrører og 113 ml deioniseret vand til en 500 ml bægerglas. Magnetisk omrør deioniseret vand ved den højeste hastighed, der ikke danner en hvirvel. </li><li> Tilsæt langsomt 13,05 g (0,056 mol) vandfrit zirconiumchlorid til deioniseret vand i små trin. Efter at alt vandfrit zirconiumchlorid er opløst, tilsættes 53,29 g (0,296 mol) af glucose til opløsningen. </li><li> Efter at alt glucose er opløst i opløsningen, tils...

<ol>
	<li>Badwal, S. P. S., Giddey, S. S., Munnings, C., Bhatt, A. I., Hollenkamp, A. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Emerging+electrochemical+energy+conversion+and+storage+technologies.">Emerging electrochemical energy conversion and storage technologies.</a> Front. Chem. 2 (79), 1-28 (2014).</li><li>Gross, M. D., Vohs, J. M., Gorte, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+examination+of+SOFC+anode+functional+layers+based+on+ceria+in+YSZ.">An examination of SOFC anode functional layers based on ceria in YSZ.</a> J. Electrochem. Soc. 154 (7), B694-B699 (2007).</li><li>Smith, B. H., Gross, M. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+highly+conductive+oxide+anode+for+solid+oxide+fuel+cells.">A highly conductive oxide anode for solid oxide fuel cells.</a> Electrochem. Solid-State Lett. 14 (1), B1-B5 (2011).</li><li>Vo, N. M., Gross, M. D. <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+vanadium+deficiency+on+the+stability+of+Pd+and+Pt+catalysts+in+lanthanum+strontium+vanadate+solid+oxide+fuel+cell+anodes.">The effect of vanadium deficiency on the stability of Pd and Pt catalysts in lanthanum strontium vanadate solid oxide fuel cell anodes.</a> J. Electrochem. Soc. 159 (5), B641-B646 (2012).</li><li>Sholklapper, T. Z., Jacobson, C. P., Visco, S. J., De Jonghe, L. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Synthesis+of+dispersed+and+contiguous+nanoparticles+in+solid+oxide+fuel+cell+electrodes.">Synthesis of dispersed and contiguous nanoparticles in solid oxide fuel cell electrodes.</a> Fuel Cells. 8 (5), 303-312 (2008).</li><li>Jiang, Z., Xia, C., Chen, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nano-structured+composite+cathodes+for+intermediate-temperature+solid+oxide+fuel+cells+via+an+infiltration/impregnation+technique.">Nano-structured composite cathodes for intermediate-temperature solid oxide fuel cells via an infiltration/impregnation technique.</a> Electrochim. Acta. 55 (11), 3595-3605 (2010).</li><li>Zhan, Z., Bierschenk, D. M., Cronin, J. S., 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=A+reduced+temperature+solid+oxide+fuel+cell+with+nanostructured+anodes.">A reduced temperature solid oxide fuel cell with nanostructured anodes.</a> Energy Environ. Sci. 4, 3951-3954 (2011).</li><li>Gross, M. D., Vohs, J. M., Gorte, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recent+progress+in+SOFC+anodes+for+direct+utilization+of+hydrocarbons.">Recent progress in SOFC anodes for direct utilization of hydrocarbons.</a> J. Mater. Chem. 17, 3071-3077 (2007).</li><li>Gross, M. D., Carver, K. M., Deighan, M. A., Schenkel, A., Smith, B. M., Yee, A. Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Redox+stability+of+SrNbxTi1-xO3-YSZ+for+use+in+SOFC+anodes.">Redox stability of SrNbxTi1-xO3-YSZ for use in SOFC anodes.</a> J. Electrochem. Soc. 156 (4), B540-B545 (2009).</li><li>Savaniu, C. D., Irvine, J. T. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=La-doped+SrTiO3+as+anode+material+for+IT-SOFC.">La-doped SrTiO3 as anode material for IT-SOFC.</a> Solid State Ionics. 192 (1), 491-493 (2011).</li><li>Choi, S., Shin, J., Kim, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+electrochemical+and+thermodynamic+characterization+of+PrBaCo2-xFexO5+&#948;+(x=0,0.5,1)+infiltrated+into+yttria-stabilized+zirconia+scaffold+as+cathodes+for+solid+oxide+fuel+cells.">The electrochemical and thermodynamic characterization of PrBaCo2-xFexO5+&#948; (x=0,0.5,1) infiltrated into yttria-stabilized zirconia scaffold as cathodes for solid oxide fuel cells.</a> J. Power Sources. 201, 10-17 (2012).</li><li>Kungas, R., Kim, J. S., Vohs, J. M., Gorte, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Restructuring+porous+YSZ+by+treatment+in+hydrofluoric+acid+for+use+in+SOFC+cathodes.">Restructuring porous YSZ by treatment in hydrofluoric acid for use in SOFC cathodes.</a> J. Am. Ceram. Soc. 94 (7), 2220-2224 (2011).</li><li>Jung, W., Dereux, J. O., Chueh, W. C., Hao, Y., Haile, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High+electrode+activity+of+nanostructured,+columnar+ceria+films+for+solid+oxide+fuel+cells.">High electrode activity of nanostructured, columnar ceria films for solid oxide fuel cells.</a> Energy Environ. Sci. 5, 8682-8689 (2012).</li><li>Cottam, M., Muhoza, S., Gross, M. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Preserving+nanomorphology+in+YSZ+scaffolds+at+high+temperatures+via+in+situ+carbon+templating+of+hybrid+materials.">Preserving nanomorphology in YSZ scaffolds at high temperatures via in situ carbon templating of hybrid materials.</a> J. Amer. Ceram. Soc. 99 (8), 2625-2631 (2016).</li><li>Alves, L. A., Silva, J. B. A., Giulietti, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Solubility+of+D-Glucose+in+Water+and+Ethanol/Water+Mixtures.">Solubility of D-Glucose in Water and Ethanol/Water Mixtures.</a> J. Chem. Eng. Data. 52, 2166-2170 (2007).</li><li>Thommes, M., Smarsly, B., Groenewolt, M., Ravikovitch, P. I., Neimark, A. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Adsorption+hysteresis+of+nitrogen+and+argon+in+pore+networks+and+characterization+of+novel+micro-+and+mesoporous+silicas.">Adsorption hysteresis of nitrogen and argon in pore networks and characterization of novel micro- and mesoporous silicas.</a> Langmuir. 22, 756-764 (2006).</li><li>Chervin, C. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+non-alkoxide+sol-gel+method+for+the+preparation+of+homogeneous+nanocrystalline+powders+of+La0.85Sr0.15MnO3.">A non-alkoxide sol-gel method for the preparation of homogeneous nanocrystalline powders of La0.85Sr0.15MnO3.</a> Chem. Mater. 18, 1928-1937 (2006).</li><li>Clapsaddle, B. J., Sprehn, D. W., Gash, A. E., Satcher, J. H., Simpson, R. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+versatile+sol-gel+synthesis+route+to+metal-silicon+mixed+oxide+nanocomposites+that+contain+metal+oxides+as+a+major+phase.">A versatile sol-gel synthesis route to metal-silicon mixed oxide nanocomposites that contain metal oxides as a major phase.</a> J. Non-Crystalline Solids. 350, 173-181 (2004).</li><li>Gash, A. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Use+of+epoxides+in+the+sol-gel+synthesis+of+porous+iron+(III)+oxide+monoliths+from+Fe(III)+salts.">Use of epoxides in the sol-gel synthesis of porous iron (III) oxide monoliths from Fe(III) salts.</a> Chem. Mater. 13, 999-1007 (2001).</li></ol>

Med dette in situ carbon templating tilgang, kan man skabe og bevare nanomorphology i blandet-metal-oxider ved traditionelle keramiske stillads sintringstemperaturer. De resulterende overfladearealer er op til 80 gange højere end traditionelt sintrede stilladser og op til 4 gange højere end stilladser fremstillet ved komplekse aflejringsteknikker. 14 propylenoxid-glukosegel system er meget fleksibelt til tuning af koncentrationen af carbon skabelon, tillader en til systematisk kontrol ...

Den fastoxidbrændselscelle (SOFC) lover godt som alternativ energi konvertering teknologi til effektiv generering af rent elektrisk strøm. Der er sket en betydelige fremskridt inden for forskning og udvikling af denne teknologi; dog er forbedringer i elektrode ydeevne stadig nødvendig for at opnå pålidelig kommercialisering. Omfatter elektroden ofte et porøst keramisk stillads med elektrokatalytiske partikler dekoreret på stilladset overflade. En stor mængde forskning har fokuseret på at øge overfladearealet af de elektrokatalytiske partikler at øge ydeevnen, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, men der er meget lidt forskning på at øge stilladset overfladeareal. Forøgelse af stillads overfladeområde er udfordrende, fordi de er sintret ved høje temperaturer, 1100 ° C til 1500 ° C. Stilladser forarbejdet ved traditionel sintring har typisk et specifikt overfladeareal på 0,1-1 m 2 · g-1. 8, 9, 10, 11 Der er et par rapporter om stigende stilladset overfladeareal. I et tilfælde blev overfladearealet af en traditionelt sintret stillads forstærket ved opløsning og udfældning af stilladset overflade ved anvendelse af flussyre, der giver et specifikt overfladeareal på 2 m2 · g-1. 12 I en anden, blev høje temperaturer undgås helt ved anvendelse af pulserende laser deposition, opnå et specifikt overfladeareal på 20 m2 · g-1. 13 Rationalet bag udviklingen af vores teknik var at skabe en lav pris fabrikationfremgangsmåde, som tilvejebringer hidtil usete stillads overfladearealer og bruger traditionelle sintringstemperaturer så processen kan vedtages nemt. Med teknikken rapporteret her, stillads overfladearealer på op til 80 m2 · g-1 er blevet påvist under behandling ved traditionelle sintringstemperaturer. 14 Vores forskning er primært motiveret af SOFC elektrode teknik, men teknikken er mere bredt anvendelig til andre områder og applikationer. Generelt in situ carbon templating metode er en fleksibel tilgang, der kan producere nanostruktureret, stort overfladeareal blandet metal keramiske materialer i pulveret eller porøse stillads formular. Den er fleksibel ved, at det blandede metal keramiske sammensætning, kan overfladeareal, porøsitet og porestørrelse alle afstemmes systematisk. Høje temperaturer er ofte nødvendige for at danne den ønskede fase i blandet metal keramik, og denne fremgangsmåde bevarer keramisk nanomorphology while tillader en at vælge det væsentlige enhver forarbejdningstemperatur. Denne fremgangsmåde involverer syntese af en hybrid uorganisk-organiske propylen-oxid-baseret gel, med et godt definere støkiometri af metalioner og forholdet mellem uorganisk og organisk indhold. Gelen tørres under omgivelsernes betingelser til dannelse af en xerogel. Xerogelen sintres i en argonatmosfære ved den ønskede temperatur. Ved opvarmning, den organiske komponent dekomponerer efterlader en carbon skabelon in situ, som forbliver under hele sintringen. Carbon skabelon fjernes efterfølgende ved lav temperatur oxidation i luft, hvilket resulterer i en nanostruktureret, højt overfladeareal keramik.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Zirconium (IV) chloride, 99.5+%</td>
			<td>Alfa Aesar</td>
			<td>12104</td>
			<td>Air sensitive</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Yttium (III) nitrate hexadydrate, 99.9%</td>
			<td>Alfa Aesar</td>
			<td>12898</td>
			<td>Oxidizer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>D+ Glucose Anhydrous, &#8805; 99.5%</td>
			<td>US Biological Life Sciences</td>
			<td>G3050</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>(&#177;)-Propylene Oxide, &#8805; 99%</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>110205</td>
			<td>Extremely flammable</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethanol 200 Proof</td>
			<td>Decon Laboratories, Inc.</td>
			<td>2716GEA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Argon, (99.997%)</td>
			<td>Airgas</td>
			<td>AR 300</td>
			<td>Industrial grade</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

high temperature fabrication of nanostructured yttria-stabilized-zirconia (ysz) scaffolds by in situ carbon templating xerogels

Vi demonstrerer en fremgangsmåde til højtemperatur fremstilling af porøs, nanostrukturerede yttriastabiliseret-zirconiumdioxid (YSZ, 8 mol% yttriumoxid - 92 mol-% zirconia) stilladser med afstemmelige specifikke overfladearealer op til 80 m 2 · g-1. En vandig opløsning af et zirconiumsalt, yttrium salt, og glucose er blandet med propylenoxid (PO) til dannelse af en gel. Gelen tørres under omgivelsernes betingelser til dannelse af en xerogel. Xerogelen presses til pellets og derefter sintret i en argonatmosfære. Under sintring, en YSZ keramiske fase former og de organiske komponenter nedbrydes, efterlader amorft carbon. Carbon dannet in situ fungerer som en hård skabelon, bevare et højt overfladeareal YSZ nanomorphology ved sintringstemperatur. Carbonet fjernes efterfølgende ved oxidation i luft ved lav temperatur, hvilket resulterer i en porøs, nanostruktureret YSZ stillads. Koncentrationen af ​​carbon skabelon og den endelige stillads overfladeareal kan være systematiskly tunet ved at variere glucosekoncentrationen i gelen syntese. Koncentrationen carbon skabelon blev kvantificeret ved anvendelse af termogravimetrisk analyse (TGA), overfladearealet og porestørrelsesfordelingen blev bestemt ved fysisk adsorption målinger, og morfologien blev karakteriseret ved anvendelse af scanningselektronmikroskopi (SEM). Faserenhed og krystallitstørrelse blev bestemt under anvendelse af røntgendiffraktion (XRD). Denne fabrikation fremgangsmåde tilvejebringer en hidtil ukendt, fleksibel platform til realisering hidtil usete stillads overfladearealer og nanomorphologies til keramiske-baserede elektrokemisk energi konvertering anvendelser fx fastoxidbrændselscelle (SOFC) elektroder.

Fase renhed blev bekræftet ved røntgendiffraktion (XRD) som tidligere rapporteret af Cottam et al. 14 YSZ stillads specifikt overfladeareal som funktion af carbon skabelon-koncentration er vist i figur 1. Koncentrationen er vist som volumenprocent af samlet tørstof i det sintrede xerogel pellet. Koncentrationen carbon skabelon systematisk stiger med stigende glucosekoncentration i gelpræparatet. Som vist i figur 1, de...

Watch this Scientific Journal Video about High Temperature Fabrication of Nanostructured Yttria-Stabilized-Zirconia YSZ Scaffolds by In Situ Carbon Templating Xerogels at JoVE.com

High Temperature Fabrication of Nanostructured Yttria-Stabilized-Zirconia YSZ Scaffolds by In Situ Carbon Templating Xerogels

En protokol til fremstilling af porøse, nanostrukturerede yttriastabiliseret-zirconia (YSZ) scaffolds ved temperaturer mellem 1000 ° C og 1400 ° C er præsenteret.

Høj temperatur Fabrikation af nanostrukturerede yttriastabiliseret-Zirconia (YSZ) Stilladser ved<em&gt; In Situ</em&gt; Carbon Templatering Xerogeler

We demonstrate a method for the high temperature fabrication of porous, nanostructured yttria-stabilized-zirconia (YSZ, 8 mol% yttria - 92 mol% zirconia) ...

Research

JoVE Journal

Engineering

High Temperature Fabrication of Nanostructured Yttria-Stabilized-Zirconia (YSZ) Scaffolds by In Situ Carbon Templating Xerogels

Fabrication, Densification, and Replica Molding of 3D Carbon Nanotube Microstructures

Fabrication, fortætning og Replica Molding af 3D kulstof nanorør mikrostrukturer

The introduction of new materials and processes to microfabrication has, in large part, enabled many important advances in microsystems, lab-on-a-chip ...

Fabrication of Silica Ultra High Quality Factor Microresonators

Fabrikation af Silica Ultra High Quality-Factor Microresonators

Whispering gallery resonant cavities confine light in circular orbits at their periphery.1-2 The photon storage lifetime in the cavity, quantified by the ...

Fabrication of Low Temperature Carbon Nanotube Vertical Interconnects Compatible with Semiconductor Technology

Fabrikation af lav temperatur kulstof nanorør Lodrette Interconnect Kompatibel med Semiconductor Technology

We demonstrate a method for the low temperature growth (350 &#176;C) of vertically-aligned carbon nanotubes (CNT) bundles on electrically conductive ...

Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization

Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization

Udskrivning Fabrikation af Bulk heterojunction solceller og<em&gt; In Situ</em&gt; Morfologi Karakterisering

Polymer-based materials hold promise as low-cost, flexible efficient photovoltaic devices. Most laboratory efforts to achieve high performance devices ...

Fiber Optic Distributed Sensors for High-resolution Temperature Field Mapping

Fiber Optic Distribuerede Sensorer til høj opløsning Temperature Field Mapping

The reliability of computational fluid dynamics (CFD) codes is checked by comparing simulations with experimental data. A typical data set consists ...

Fabrication of 3D Carbon Microelectromechanical Systems (C-MEMS)

Fabrication of 3D Carbon Microelectromechanical Systems C-MEMS

Fremstilling af 3D-carbon-mikroelektromekaniske systemer (C-MEMS)

A wide range of carbon sources are available in nature, with a variety of micro-/nanostructure configurations. Here, a novel technique to fabricate long ...

Measurements of Soil Carbon by Neutron-Gamma Analysis in Static and Scanning Modes

Målinger af kulstof i jorden af Neutron-Gamma analyse i statisk og Scanning tilstande

The herein described application of the inelastic neutron scattering (INS) method for soil carbon analysis is based on the registration and analysis of ...

Methods of Ex Situ and In Situ Investigations of Structural Transformations: The Case of Crystallization of Metallic Glasses

Methods of Ex Situ and In Situ Investigations of Structural Transformations: The Case of Crystallization of Metallic Glasses

Metoder til Ex Situ og In Situ undersøgelser af strukturelle forandringer: sagen om krystallisering af metalliske briller

We demonstrate the use of two nuclear-based analytical methods that can follow the modifications of microstructural arrangement of iron-based metallic ...

Radio Frequency Magnetron Sputtering of GdBa2Cu3O7&#8722;&#948;/ La0.67Sr0.33MnO3 Quasi-bilayer Films on SrTiO3 (STO) Single-crystal Substrates

Radio Frequency Magnetron Sputtering of GdBa2Cu3O7ÃƒÆ’Ã‚Â¢Ãƒâ€¹Ã¢â‚¬Â 'ÃƒÆ’Ã…Â½Ãƒâ€šÃ‚Â´/ La0.67Sr0.33MnO3 Quasi-bilayer Films on SrTiO3 STO Single-crystal Substrates

Radio Frequency Magnetron Sputtering af GdBa2Cu3O7−δ/ La0,67Sr0,33MnO3 kvasi tolagede film på SrTiO3 (STO) Single-krystal substrater

Here, we demonstrate a method of coating ferromagnetic La0.67Sr0.33MnO3 (LSMO) nanoparticles on (001) SrTiO3 (STO) single-crystal substrates by radio ...

Hybrid Printing for the Fabrication of Smart Sensors

Hybrid udskrivning for fabrikation af Smart sensorer

A method to combine additively manufactured substrates or foils and multilayer inkjet printing for the fabrication of sensor devices is presented. First, ...