OARS - Open Access Rewards System
DOI : 10.2240/azojono0102

De Membranen van Nanostructured: Een Nieuwe Klasse van Protonic Leider voor de MiniatuurCellen van de Brandstof

Bernard Gauthier-Manuel en Tristan Pichonat

Voorgelegd: 20 December, 2004

Gepost: 15 Julith, 2005

Besproken Onderwerpen

Samenvatting

Achtergrond

Methodes en Materialen

Resultaten en Bespreking

Conclusies

Verwijzingen

De Details van het Contact

In dit document wordt een nieuwe manier om miniatuurbrandstofcellen te realiseren (FC) aangetoond het gebruiken poreus silicium als (PS) protonic leider nanostructured. Deze oplossing impliceert het chemische enten van molecules die ioniseerbare groepen op de poriemuren bevatten die de structuur van ionomer, zoals Nafion®, gewoonlijk na te bootsen wordt gebruikt om het protongeleidingsvermogen van van de Proton-uitwisseling de cellen membraan (PEM)brandstof te verzekeren. Gebruikend deze techniek wordt anorganisch, structureel stal die, proton membraan leiden geproduceerd met vele optimaliseerbare parameters zoals de poriegrootte en de poriestructuur van het membraan en de aard van de geënte molecules. Deze potentieel vernietigende technologie maakt de productie van cellen van de lage kosten de kleine brandstof bekwaam om significante elektrostroom zonder de nadelen te veroorzaken het mogelijk met betrekking tot het gebruik van ionomers. De prestaties door deze materialen worden verkregen zijn van een betere kwaliteit, in vergelijking met gelijkaardige brandstofcellen die Nafion® gebruiken die.

Tegenwoordig is het ontwerp van energiebronnen bekwaam om draagbare apparaten zoals cellulaire telefoons, laptop computers of nomadische sensorennetwerken aan te drijven een uitdaging. Deze apparaten worden weldra aangedreven met batterijen die hun autonomie beperken en menselijke interventie en elektroenergiebronnen om vereisen aanvulling. Bovendien produceren zij afval onverenigbaar met hun proliferatie. In volgende 10 jaar de internationale technologie roadmap voor halfgeleiders [de 1 die] voorspellingen een daling van het voltage wordt vereist om het werken van microschakelingen tegen 0.6 V. aan te drijven. Het gebruik van miniatuurbrandstofcellen (FC) lijkt een aantrekkelijke manier om draagbare elektronika met een schone en navulbare energiebron aan te drijven. Dit is één van de redenen om de intense activiteit te verklaren die weldra op het FC onderzoekgebied voorkomen. Onder allerlei FC zijn slechts twee werkelijk geschikt voor miniaturisatie. De beperking komt hoofdzakelijk uit de het werk temperatuur wordt vereist om lager te zijn dan 100°C. die. Één van hen is het membraan FC van de proton (PEM)uitwisseling. Een zeer belangrijk element van een PEM FC is het membraan dat hoog geleidingsvermogen voor protonen moet hebben en ondoordringbaar aan alle andere huidige species (H,2 O,2 water, een andere brandstof, enz.) zijn.

ionomer van het overzichts miniatuur [2-6] over het algemeen gebruik FC films om protonen van de anode te leiden, waar de waterstof wordt verbruikt, aan de kathode veroorzakend, met de vermindering van zuurstof, water, elektrostroom en hitte. Op dit ogenblik, wordt het beste geleidingsvermogen (0.08 S.cm-1) bereikt door Nafion® perfluorosulfonated membranen. Nochtans zijn de hoge kosten en de geometrische instabiliteit tijdens hydratie slechts enkele strenge beperkingen van dergelijke polymeren.

De aard van het proton geleidende proces in wordt een ionomeric membraan zoals Nafion® niet nog volledig begrepen. De huidige consensus [7] moet een membraan Nafion® als skelet van hydrophobic kettingen met inbegrip van verbonden hydrofiele domeinen beschrijven die watermolecules bevatten. De diameter van de verbindende kanalen is ongeveer 3 NM. De lage stijfheid van dit skelet is de oorzaak van het zwellen van het membraan met hydratie in antwoord op de moleculaire interactie.

Hier, wordt een potentieel vernietigende technologie aangetoond die een nieuwe manier het mogelijk maakt om de protonic geleidingsfunctie in een kleine grootte FC te realiseren.

Methodes en Materialen

Het idee in dit werk wordt ontwikkeld is te proberen om de moleculaire structuur van poreus silicium® te reproduceren Nafion (PS) en het enten van proton te leiden leidend molecules op de oppervlakte van de poriën verzekert het vereiste geleidingsvermogen dat.

Het eerste stadium is de totstandbrenging van de siliciummembranen die klassieke fotolithografie en natte chemische ets in KOH van (100) gebruiken georiënteerde siliciumwafeltjes. Het Maskeren wordt verkregen met een gesputterde laag Cr-Au (de laag van Cr van 15 de NM dikke en laag van Au van 800 NM dik). Een vorige thermische oxydatie van het siliciumwafeltje verzekert de elektroisolatie van het membraan. De membranendikte wordt bevestigd aan 50 µm door verwerkingstijd en temperatuur aan te passen. De Collectieve verwerking staat ons toe om 69 membranen op gelijktijdig te verkrijgen“ wafeltje 4.

De membranen van het Silicium worden dan gemaakt, in een tweede stadium poreus, door anodization in een dubbel-tankcel [8] opgevat door AMMT Gmbh en het bestaan van twee helft-cellen waarin de elektroden van PT worden ondergedompeld. Het siliciumwafeltje scheidt en isoleert de twee helft-cellen. De elektrolyt voor anodization wordt gebruikt is een oplossing ethanoic-HF (50% van zuivere ethylalcohol en 50% van een 48% HF oplossing die). Anodization wordt uitgevoerd in dark bij constante stroom. Met 0.012-0.014 ohm.cm n fosfor-gesmeerdd+- typ siliciumwafeltjes en een huidige dichtheid van 18 tot 36 mA.cm-2, verkrijgen wij poriën uit 6 tot 10 NMdiameter en een poreusheid van ongeveer 50% [9]. Een dwarsdoorsnede van het poreuze verkregen wordt siliciummembraan geschetst op cijfer 1.

AZoNano - Online Dagboek van Nanotechnologie - Schematische dwarsdoorsnedemening van het poreuze siliciummembraan. Het Silicium is in grijs, is het poreuze silicium in roze.

Figuur 1. Schematische dwarsdoorsnedemening van het poreuze siliciummembraan. Het Silicium is in grijs, is het poreuze silicium in roze.

Het vorige deposito van de laag van Au staat de localisatie van de poreusheid op siliciummembranen tijdens anodization toe. Een eenvoudige die laag van Si34LPCVD over het algemeen als maskerende laag voor gelokaliseerde PS (zie bijvoorbeeld [10] wordt gebruikt zou) geen lange anodization toestaan namelijk aangezien de edel metalen (Au, PT en Ag) toestaan. De laag van het siliciumoxyde onder de laag Cr-Au vermijdt om het even welke parasitische vorming van PS met de mogelijke interne die stroom tussen siliciumsubstraat en de metaallaag [11] wordt geproduceerd. Zodra anodization wordt bereikt, worden de membranen gespoeld in een oxyderend bad die (de ontsmettingsoplossing van Le Vert van Prevor) de oplossing van HF neutraliseren. Dan worden verscheidene gedeioniseerde waterbaden en isopropyl alcohol gebruikt voor het spoelen van en het verminderen van spanning in poriën. De Membranen zijn definitief droog in omringende lucht. PS de membranen met een laag van de kiezelzuuroppervlakte worden verkregen. De karakterisering van deze poreuze membranen wordt gemaakt door FESEM (de Elektronenmicroscoop van het Aftasten van het Effect van het Gebied) Weergave en een typische mening van de dwarsdoorsnede van het membraan wordt vertegenwoordigd in figuur 2.

AZoNano - Online Dagboek van Nanotechnologie - FESEM dwarsdoorsnedemening van een n+-type poreus siliciummembraan. De Kanalen hebben een gemiddelde diameter van 10 NM.

FESEM dwarsdoorsnedemening van n+- typ poreus siliciummembraan. De Kanalen hebben een gemiddelde diameter van 10 NM.

Zoals bewezen door geleidingsvermogenmetingen [12] en weergave FESEM, slechts worden een paar kanalen totaal geopend met dit anodization procédé. wegens het niet-homogeen karakter van de wafeltjedikte, wanneer de eerste kanalen open aan de achterkant van de membranen, de stroom door deze gaat opende namelijk poriën en anodization gaat niet meer op de andere poriën verder. Om dit probleem op te lossen, is een kort reactief ionenets (R.I.E.) proces aangewend gebruikend SF en6gassen2voor silicium ets aan de achterkant van de membranen om ervoor te zorgen dat alle poriën worden geopend [12]. Dit proces etst dik ongeveer 2 µm in 3 min. wat noodzakelijk is om de gehele achterkantporeusheid te openen. De karakterisering van geopende poriën wordt uitgevoerd door geleidingsvermogenmetingen in een 3% oplossing van hydrochloric zuurelektrolyt.

Om het protonic geleidingsvermogen te verzekeren en strijdig met een vorige oplossing die uit het vullen van poriën met een Nafion voor®®de eerste onderzoeken bestaan. Aangezien de oppervlakte van PS door een oxydelaag wordt behandeld, kan het klassieke proces van silanization direct worden gebruikt. De eerste stap bestaat uit het creëren van silanolfuncties (Si-OH) aan de oppervlakte van PS. Een zacht proces die UVozonreinigingsmachine impliceren is met succes uitgevoerd. Dit proces leidt tot de gewenste functies zonder geometrisch wijzigingentegendeel aan een vorig nat proces die een onderdompeling vergen in de oplossing van de „Piranha“ (mengsel van een 80% oplossing van zuiver zwavelzuur met 20% van een 33% oplossing in water van waterstofperoxyde) die membraanmisvormingen veroorzaakte. Het enten van silaanmolecules wordt dan gerealiseerd door de hydrofiele poreuze membranen in een 1% oplossing van het zure silaan in ethylalcohol 1 die uur (tijd empirisch met geleidingsvermogenmetingen wordt bepaald) bij kamertemperatuur en omringende lucht onder te dompelen. Figuur 3 toont een moleculaire simulatie van het proces.

AZoNano - Online Dagboek van Nanotechnologie - Mening van de moleculaire schaal van silaanmolecules vergeleek bij een 6nm diameterPS porie. Één van de molecule wordt geënt op de oppervlakte. (Geel) Si, (rood) O, (wit) H, (grijs) C, en (blauw) N

Figuur 3. De Mening van de moleculaire schaal van silaanmolecules vergeleek bij een 6nm diameterPS porie. Één van de molecule wordt geënt op de oppervlakte. (Geel) Si, (rood) O, (wit) H, (grijs) C, en (blauw) N.

om - het einde van Na langs - het einde van H te vervangen om het echte carboxylic gedrag voor de geënte functie te krijgen, worden de membranen ondergedompeld 12 die uren in een 20% oplossing van zwavelzuur, dan volledig in gedeioniseerd water wordt gespoeld. Om de assemblage te voltooien FC, elektrode en katalysator worden de lagen toegevoegd aan het membraan. De elektroden E -e-tek uit een koolstof worden samengesteld die die doek leiden met platina (20% PT op Vulcan xc-72) wordt gevuld werden gebruikt als katalysator die2 van H2 O. A1 µl daling van een 5% Nafion®®

Resultaten en Bespreking

Figuur 4 toont (hoogste mening) typische 8 die mm × 8 mm FC met een actief gebied (in zwarte op het cijfer) wordt gerealiseerd van 7 mm2. De Geometrische parameters worden niet geoptimaliseerd maar verkozen om de haalbaarheid van de methode aan te tonen.

AZoNano - Online Dagboek van Nanotechnologie - Hoogste mening van een miniatuurbrandstofcel, schaalvergelijking het muntstuk met van de a1cent (0.01 euro).

Hoogste mening van een miniatuurbrandstofcel, schaalvergelijking het muntstuk met van de a1cent (0.01 euro).

H2 O2

om het gas aan het membraan te brengen, werd een eigengemaakte testcel gebruikt waarin de assemblage van membraanelektroden wordt opgezet. Voorts liet het de meting van elektrocontacten op elke kant van het membraan en evacuatie van gasuitlaten toe. De testcel werd elektrisch verbonden met een voltmeter en een ampèremeter met een veranderlijke weerstand biedende lading. Metingen met een Nafion®- het gevulde PS binnen eerder gemelde membraan [12] is toegevoegd aan het IV kenmerk van het geënte poreuze siliciummembraan voor vergelijking. Een huidige dichtheid van 118 mA/cm2in minimale last en 470 mV voor open kringsvoltage werd verkregen (figuur 5).

Het Artikel van het Dagboek van AZoNanotechnology: De Prestaties van een geënte PS (rode) brandstofcel waren met nafion®-Gevulde (blauw) vergelijkbaar.

Figuur 5. De Prestaties van een geënte PS (rode) brandstofcel waren met een Nafion vergelijkbaar®- gevulde één (blauw).

Deze prestaties werden bewaard 6 uren zolang de assemblage werd voorzien van H. De zelfde cel is ook getest meerdere keren na deze eerste metingen en bereikt de zelfde prestaties. Het verouderen van het apparaat is niet nog gemeten.

Als de prestaties bereikte met beide oplossingen in termen van machtsdichtheid vergelijkbaar zijn (17 mW.cm-2 -2®- vulde membraan) en huidige dichtheid (respectievelijk vulden 118-2mA.cm2®- - membraan. Dit kan door de oversteekplaats van gas door het geënte poreuze membraan worden verklaard. Met deze oplossing de poriën worden niet volledig gevuld namelijk en de aanzienlijke gasverspreiding door het membraan veroorzaakt gedeeltelijk omgekeerd voltage.

Dit verschil van gedrag bewijst dat de protongeleiding door het membraan op een nieuwe die manier wordt gerealiseerd, hoofdzakelijk door oppervlaktegeleidingsvermogen tussen de carboxylic functies aan de oppervlakte van de poriën worden geënt. De oversteekplaats zou moeten worden verminderd, voortaan experimenten, door de poriediameter aan een waarde aan veronderstelde in structuur dichter te verminderen®Nafion.

Een vergelijking van de hellingen van beide IV krommen in het lineaire regime toont duidelijk een lagere helling met het geënte membraan die op een beter geleidingsvermogen wijzen dan verkregen met het vullen®Nafion. Deze huidige aanwinst van 2.66 is nog niet geoptimaliseerd.

De gevolgen van de mogelijke artefacten inherent aan de huidige technologie zullen nu besproken worden. Het belangrijkste argument is het succes van functionalization van het poreuze siliciummembraan om de protongeleiding toe te staan en de prestaties van de brandstofcel aan de kwaliteit nauw verwant moeten zouden zijn van dit het enten. Zonder de chemische die karakterisering van monolayer nog verkregen te hebben op de oppervlakte van de poriën wordt geënt, is het experimentele feit dat zulk een membraan de protonen leidt omdat de brandstofcel een elektrostroom door een externe weerstand kan leveren. Dat is niet het geval met het zelfde die soort cel met een niet-geënt poreus membraan wordt gerealiseerd.

Tegendeel aan een Nafion®- het gevulde membraan wordt de hydrofiele poriën van het geënte membraan slechts gevuld met water en niet door Nafion®-5 cm.s2 de-1 verspreidingstijd van ionen op een lengte van 50 µm is over een paar seconden). Om dit analysegeleidingsvermogen te voltooien werden de metingen gerealiseerd op gelijkaardige membranen door mechanische toepassing van elektroden direct aan elke kant van het membraan en bewijzen het intrinsieke geleidingsvermogen van het membraan. Maar aangezien deze methode op dit ogenblik vernietigend die is, kan het niet op het membraan worden uitgevoerd wordt gebruikt om de cel te bouwen.

Een Ander belangrijk punt betreft de vergelijking van de beginnende stroom en de stabiliteit voor beide configuraties zoals die op cijfer 6 worden getoond. De waargenomen vertraging (170 s) aangezien het begin van de waterstofgenerator (time=0 s) aan de verspreiding van waterstof toe te schrijven is die tot de anode zou moeten toegang hebben. De reactietijd van het geënte membraan (<30s) is korter dan de reactietijd van Nafion®- gevulde één (300 s). Het Tegendeel aan ionomeric membranen, wordt geen hydratie vereist voor het geënte membraan om de protonen te leiden. Een Ander voordeel van de geënte membranen (zie op het zelfde cijfer) is de stabiliteit van de intensiteit van de stroom. Het wordt experimenteel getoond beter dan voor een Nafion®- gevulde brandstofcel.

Het Artikel van het Dagboek van AZoNanotechnology - de Stroom als functie van tijd bereikte door een geënte PS (rode) brandstofcel was met bereikte vergelijkbaar met nafion®-Gevulde (blauw).

Figuur 6. De Stroom als functie van tijd bereikte door een geënte PS (rode) brandstofcel was met bereikte vergelijkbaar met een Nafion®- gevulde één (blauw).

Conclusies

Samenvattend, deze techniek schijnt reeds de kleine cellen van de groottebrandstof met hoge prestaties (beginnende tijd, stabiliteit, huidige dichtheid) kunnen produceren die op silicium aan lage kosten zonder de hulp van enige ionomer film als Proton-leidend membraan gemakkelijk integrable zijn. Voorts is het redelijk om de betere te verwachten prestaties na een vermindering van poriediameter en het enten van nieuwe molecules zullen worden bereikt.

Verwijzingen

1.       Internationale Roadmap voor Halfgeleiders, samenvatting. Technisch rapport, SIA. Teruggewonnen van http://public.itrs.net/, 2003, 57.

2.       Hebling C., de „Draagbare Systemen van de Cel van de Brandstof“, Bulletin 46 van de Cel van de Brandstof (7) (2002) 8-12.

3.       Lu G.Q., Wang C.Y., Yen T.J., Zhang X., „Ontwikkeling en Karakterisering van een silicium-Gebaseerde Cel van de Micro- Directe Brandstof van de Methanol“, Electrochim. Handelingen (5) (2004) 821.

4.       Kelley S.C., Deluga G.A., Smyrl W.H., de „MiniatuurdieCellen van de Brandstof op de Substraten van het Silicium worden Vervaardigd“, AIChE J. 48 (5) (2002) 1071.

5.       Motokawa S., Mohamedi M., Momma T., Shoji S., Osaka T., „MEMS-Gebaseerde Ontwerp en Vervaardiging van een Nieuwe van de Micro- van het Concept Cel Directe Brandstof van de Methanol (µ-DMFC)“, Mededelingen 6 van de Elektrochemie (2004) 562-565.

6.       Yu J., Cheng P., Ma Z., Yi B., „Vervaardiging van de MiniatuurCel van de Brandstof van het Wafeltje van het Silicium met Betere Prestaties“, Krachtbronnen 124 van J. (2003) 40-46.

7.       Bunker C.E., Ma B., Simmons K.J., Rollins H.W., Liu J., Ma J., Martin C.W., DesMarteau D.D., Sun Y., „Evenwichtstoestand en hetVastbesloten Spectroscopische Sonderen van de Fluorescentie van Microstructuren en Eigenschappen van Perfluorinated Polyelectrolyte Membranen“, Dagboek van Electroanalytical Chemie 459 (1998) 15-28.

8.       Halimaoui A., in Eigenschappen Van Poreus die Silicium, door L. Canham worden uitgegeven, publiceerde door INSPEC, volume 18 (1997).

9.       Lehmann V., Elektrochemie van Silicium, Wiley-VCH, 2002.

10.   Angelucci R., Poggi A., Dori L., Cardinali G.C., Parisini A., Tagliani A., Mariasaldi M., Cavani F., „Doordrongen Poreus Silicium voor de Vervaardiging van de Sensor van de Koolwaterstof“, Sensoren en Actuators A 74 (1999) 95-99.

11.   Splinter A., Stürmann J., Benecke W., de „Nieuwe Poreuze Technologie die van de Vorming van het Silicium Interne Van de huidige generatie“ Gebruiken, Mat. Sc en Eng. C (2001) 109-112.

12.   Pichonat T., Gauthier-Manuel B., Hauden D., een „Nieuw Membraan van het Proton-Leidend Poreus Silicium voor de Kleine Cellen van de Brandstof“, Chem. Eng. J., 1-3 (2004) 107-111.

De Details van het Contact

Bernard Gauthier-Manuel

FEMTO-ST CNRS UMR 6174
Département LPMO
32, Avenue De l'Observatoire
25044 Besançon Cedex
Frankrijk
gauthier@lpmo.edu

Tristan Pichonat

IEMN CNRS UMR 8520
Avenue H. Poincaré
BP 69
59652 Villeneuve d'Ascq Cedex
Frankrijk
tristan.pichonat@isen.iemn.univ-lille1.fr

Date Added: Jul 15, 2005 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 13. June 2013 03:56

Ask A Question

Do you have a question you'd like to ask regarding this article?

Leave your feedback
Submit