Name: high temperature fabrication of nanostructured yttria-stabilized-zirconia (ysz) scaffolds by in situ carbon templating xerogels
Uploaded: 2017-04-16T15:00:00
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Este trabalho foi apoiado pela Floresta Departamento Wake Chemistry and the Wake Centro Florestal de Energia, Meio Ambiente e Sustentabilidade (CEES). Agradecemos Charles Mooney eo Mecanismo Instrumentação Analítica da Universidade Estadual da Carolina do Norte para obter ajuda com imagem SEM.

1. Preparar Pellets xerogel <ol><li> Síntese gel <ol><li> 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. </li><li> 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. </li><l...

<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>

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...

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.

<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

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.

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...

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

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

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

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

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

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