OARS - Open Access Rewards System
DOI : 10.2240/azojono0102

Мембраны Nanostructured: Новый Класс Protonic Проводника для Миниатюрных Отсеков Топливного Бака

Бернард Gauthier-Манюэль и Tristan Pichonat

Представлено: 20-ое декабря 2004

Вывешено: 15-ое июля 2005th

Покрытые Темы

Конспект

Предпосылка

Методы и Материалы

Результаты и Обсуждение

Заключения

Справки

Детали Контакта

В этой бумаге новый путь осуществить миниатюрные отсеки топливного бака (FC) продемонстрирован используя nanostructured пористый кремний (PS) как protonic проводник. Это разрешение включает химический прививать молекул содержа ionizable группы на стенах поры для того чтобы передразнить структуру иономера, как Nafion®, обычно используемое для того чтобы обеспечить проводимость протона отсеков топливного бака мембраны (PEM) протон-обменом. Используя этот метод неорганическое, структурно конюшня, мембрана протона дирижируя произведено с много optimizable параметров как размер поры и структура поры мембраны и природы прививанных молекул. Эта потенциально разрушительная технология позволяет продукции отсеков топливного бака низкой цены малых способных для того чтобы произвести значительно электрическое течение без недостатков отнесенных к пользе иономеров. Представления полученные этими материалами более лучшего качества, сравнено к подобным отсекам топливного бака используя Nafion®.

В Наше Время конструкция источников энергии способных для того чтобы привести портативные приборы в действие любит мобильные телефоны, портативные компьютеры или кочевнические сети датчиков возможность. Эти приборы в настоящее время приведены в действие с батареями которые ограничивают их автономию и требуют, что людской интервенции и электрических источники энергии перезаряжают. Сверх Того они производят отходы несовместимые с их пролиферацией. В следующих 10 летах международная дорожная карта технологии для прогнозов полупроводников [1] уменшение напряжения тока требуемого, что привести работу в действие микросхем к 0,6 V. Польза миниатюрных отсеков топливного бака (FC) появляется привлекательный путь привести портативную электронику в действие с чистым и refillable источником энергии. Это одна из причин объяснить интенсивную работу в настоящее время происходя в поле исследования FC. Среди всех видов FC только 2 действительно соответствующе для миниатюризации. Ограничение главным образом приходит от работая температуры необходимо, что было более низко чем 100°C. Одно из их мембрана FC обменом (PEM) протона. Ключевое положение PEM FC мембрана которая должна иметь высокую проводимость для протонов и быть непомокаема к всему другому присутствующему виду (H2, O2, воде, любому другому топливу, etc).

современные фильмы иономера пользы миниатюры FC [2-6] вообще для того чтобы дирижировать протоны от анода, где водопод уничтожен, к катоду производящ, с уменьшением кислорода, воды, электрического течения и жары. В настоящее время, самая лучшая проводимость (0,08 S.cm-1) достигается Nafion® perfluorosulfonated мембраны. Однако высокая цена и геометрическая нестабильность во время оводнения только некоторые из строгих ограничений таких полимеров.

Природа процесса протона проводного в ionomeric мембране как Nafion® все еще вполне не понята. Присутствующий консенсус [7] описать мембрану Nafion® как скелет гидродобных цепей включая соединенные гидрофильные домены содержа молекулы воды. Диаметр соединяясь каналов около 3 nm. Низкая жесткость этого скелета ответствена для запухания мембраны с оводнением в ответ на молекулярные взаимодействия.

Здесь, потенциально разрушительная технология продемонстрирована которая позволяет новому путю осуществить protonic функцию кондукции в малом размере FC.

Методы и Материалы

Идея начатая в этой работе попробовать воспроизвести молекулярную структуру кремния® Nafion пористого (PS) и сразу прививать молекул протона дирижируя на поверхности пор обеспечивает необходимую проводимость.

Первая стадия осуществление мембран кремния используя классическую фотолитографию и влажное химическое вытравливание в KOH (100) ориентированных вафель кремния. Маскировать получен с sputtered слоем Cr-Au (слоем Cr 15 nm толщиной и слой Au 800 nm толщиной). Предыдущая термальная оксидация вафли кремния обеспечивает электрическую изоляцию мембраны. Толщина мембран зафиксирована к µm 50 путем регулировать длительность процесса и температуру. Собирательный обрабатывать позволяет нам получить одновременно 69 мембран на 4" вафля.

Мембраны Кремния после этого сделаны пористым, в втором этапе, анодизацией в клетке двойн-бака [8] понятой AMMT ГмбХ и состоя из 2 полуячеек в которых электроды Pt погружены. Вафля кремния отделяет и изолирует 2 полуячейки. Электролит используемый для анодизации разрешение этанов-HF (50% из чисто этанола и 50% разрешения HF 48%). Анодизация унесена в темноте на постоянн течении. С фосфор-дано допинг 0.012-0.014 ohm.cm n+- напечатайте вафли на машинке кремния и концентрация тока от 18 до 36 mA.cm-2, мы получаем поры от 6 к диаметру 10 nm и пористости около 50% [9]. Поперечное сечение пористой полученной мембраны кремния сделано эскиз к на диаграмме 1.

AZoNano - Он-лайн Журнал Нанотехнологии - Схематический взгляд профиля пористой мембраны кремния. Кремний в сером, пористом кремнии в пинке.

Диаграмма 1. Схематический взгляд профиля пористой мембраны кремния. Кремний в сером, пористом кремнии в пинке.

Предыдущее низложение слоя Au позволяет локализации пористости на мембранах кремния во время анодизации. Деиствительно простой вообще используемый34слой LPCVD Si по мере того как маскируя слой на локализованный PS (см. например [10]) не позволил бы длинномерной анодизации по мере того как драгоценные металлы (Au, Pt и Ag) позволяют. Слой окиси кремния под слоем Cr-Au во избежание любое паразитное образование PS при возможное внутреннее течение произведенное между субстратом кремния и металлическим слоем [11]. Как Только анодизация достигана, мембраны прополосканы в окисляя ванну (разрешение дезактивации Le Vert от Prevor) нейтрализуя разрешение HF. После Этого несколько деионизированных ванн воды и спирт изопропила использованы для полоскать и уменьшения усилие в поры. Мембраны окончательно высушены в окружающем воздухе. Мембраны PS с слоем кремнезема поверхностным получены. Характеризация этих пористых мембран сделана воображением FESEM (Электронного Кинескопа Влияния Поля Просматривая) и типичный взгляд поперечного сечения мембраны представлен в диаграмме 2.

AZoNano - Он-лайн Журнал Нанотехнологии - взгляд поперечного сечения FESEM мембраны кремния n+-type пористой. Каналы имеют средний диаметр 10 nm.

Взгляд поперечного сечения FESEM n+- напечатайте пористую мембрану на машинке кремния. Каналы имеют средний диаметр 10 nm.

Как доказано измерениями проводимости [12] и воображением FESEM, только немного каналов полностью раскрыты с этим процессом анодизации. Деиствительно должно к inhomogeneity толщины вафли, когда первые каналы раскрывают на задней стороне мембран, течение идет через эти раскрытые поры и анодизация больше не не продолжается на других порах. Для того чтобы разрешить эту проблему, короткий реактивный процесс вытравливания иона (R.I.E.) использует используя SF и6газы2для вытравливания кремния на задней стороне мембран для того чтобы убеждаться что все поры раскрыты [12]. Etches Этого процесса о µm 2 толщиной в 3 MIN. которое необходимо для того чтобы раскрыть всю пористость задней стороны. Характеризация раскрытых пор унесена измерениями проводимости в разрешении электролита хлористо-водородной кислоты 3%.

Обеспечить protonic проводимость и вопреки к предыдущему разрешению состоя из заполняющ поры с Nafion®®для первых исследований. По Мере Того Как поверхность PS предусматривана слоем окиси, классический процесс silanization можно сразу использовать. Первый шаг состоит из создать функции silanol (Si-OH) на поверхности PS. Мягкий процесс включая UV уборщика озона успешно был снабжен. Этот процесс создает пожеланные функции без геометрических изменений противоположных к предыдущему влажному процессу погружение в разрешение «Piranha» (смесь разрешения 80% чисто масляной серной кислоты с 20% из водного раствора 33% перекиси водопода) которое навело деформации мембраны. Прививать молекул силана после этого осуществлян путем погружать гидрофильные пористые мембраны в разрешение 1% кисловочного силана в этаноле на 1 час (время эпирически определенное с измерениями проводимости) на комнатной температуре и окружающем воздухе. На Диаграмму 3 показано молекулярную имитацию процесса.

AZoNano - Он-лайн Журнал Нанотехнологии - Взгляд молекулярного маштаба молекул силана сравненных к поре PS диаметра 6nm. молекулы прививать на поверхности. Si (желтый цвет), O (красный), H (белый), C (серый), и N (голубой)

Диаграмма 3. Взгляд молекулярного маштаба молекул силана сравнила к поре PS диаметра 6nm. молекулы прививать на поверхности. Si (желтый цвет), O (красный), H (белый), C (серый), и N (голубой).

Для того чтобы заменить - законцовки Na мимо - законцовки H для того чтобы получить реальное карбоновое поведение для прививанной функции, мембраны погружены на 12 часа в разрешении 20% масляной серной кислоты, тогда полно прополосканы в деионизированной воде. Выполняют агрегат FC, слои электрода и катализатора добавлены, что к мембране. Электроды E-tek составленные ткани углерода дирижируя заполненной с платиной (20% Pt на Vulcan XC-72) были использованы как катализатор2 H2 O. 1 падение µl 5% Nafion®®

Результаты и Обсуждение

На Диаграмму 4 показано (взгляд сверху) типичное × 8 mm FC 8 mm осуществлянное с активной зоной (в черноте на диаграмме) 7 mm2. Геометрические параметры не оптимизированы а выбраны для того чтобы продемонстрировать осуществимость метода.

AZoNano - Он-лайн Журнал Нанотехнологии - Взгляд сверху миниатюрного отсека топливного бака, сравнение маштаба с 1 монеткой цента (евро 0,01).

Взгляд сверху миниатюрного отсека топливного бака, сравнение маштаба с 1 монеткой цента (евро 0,01).

H2 O2

Для того чтобы принести газ к мембране, была использована домодельная клетка испытания в которой установлен агрегат электродов мембраны. Сверх Того, она включила измерение электрических контактов на каждой стороне мембраны и опорожнении вытыханий газа. Клетка испытания электрически была соединена к вольтметру и амперметру с переменной активной нагрузкой. Измерения с Nafion®- заполненная мембрана PS ранее сообщенная внутри [12] была добавлена к характеристике IV прививанной пористой мембраны кремния для сравнения. Была получена концентрация тока 1182mA/cm в минимальной обязанности и 470 mV для напряжения тока открытой цепи (диаграмма 5).

Журнальная Статья AZoNanotechnology: Представления прививанного отсека топливного бака PS (красного) сравнили с Nafion®-Заполненное одним (синь).

Диаграмма 5. Представления прививанного отсека топливного бака PS (красного) сравненного с Nafion®- заполненное одним (синь).

Эти представления были сохранены на 6 часов покуда агрегат был поставлен с H. Такая же клетка также была испытана несколько времен после этих первых измерений и достигала такие же представления. Вызревание прибора не было измерено пока.

Если представления достиганные с обоими разрешениями соответствовал оперируя понятиями плотности мощности (17 mW.cm-2 -2®- заполненная мембрана) и концентрации тока, то (соответственно 118 mA.cm-2-2®- заполненная мембрана. Это может быть объяснено кроссовером газа через прививанную пористую мембрану. Деиствительно с этим разрешением pores вполне не заполните и существенная диффузия газа через мембрану наводит частично обратное напряжение.

Эта разница поведения доказывает что кондукция протона через мембрану осуществляна в новом путе, существенно поверхностной проводимостью между карбоновыми функциями прививанными на поверхности пор. Кроссовер должен быть уменьшен, в будущие эксперименты, путем уменьшать диаметр поры к значению ближе к принятое одному в структуре®Nafion.

Сравнение наклонов обеих кривых IV в линейном режиме показывает ясно более низкий наклон при прививанная мембрана показывая более лучшую проводимость чем получено с завалкой®Nafion. Это присутствующее увеличение 2,66 пока не было оптимизировано.

Влияния возможных артефактов своиственных в присутствующей технологии теперь будут обсужены. Ключевой аргумент успех functionalization пористой мембраны кремния для того чтобы позволить кондукции протона и представления отсека топливного бака должны близко быть отнесены к качеству этот прививать. Без иметь но получено химической характеризации монослоя прививанного на поверхности пор, экспириментально факт что такая мембрана дирижирует протоны потому что отсек топливного бака могл поставить электрическое течение через внешний резистор. То нет случая при такой же вид клетки осуществлянный с non-прививанной пористой мембраной.

Противоположность к Nafion®- заполненная мембрана гидрофильные поры прививанной мембраны только заполнена с водой и не Nafion®-5 cm.s2-1 время диффузии ионов на длине µm 50 о немного секунд). Выполнить измерения этой проводимости анализа осуществил, что на подобных мембранах механически применением электродов сразу на каждой стороне мембраны и доказать внутреннеприсущую проводимость мембраны. Но по мере того как этот метод в настоящее время разрушителен, его нельзя снабдить на мембране используемой для того чтобы построить клетку.

Другой важный аспект относится сравнение начиная течения и стабилность для обеих конфигураций как показан на диаграмме 6. Задержка наблюдаемая (170 s) с начала генератора водопода (time=0 s) должна к диффузии водопода которая должна достигнуть анода. Время на ответ прививанной мембраны (<30 s) коротке чем время на ответ Nafion®- заполненное одного (300 s). Необходима, что для прививанной мембраны дирижирует Противоположность к ionomeric мембранам, никакое оводнение протоны. Другое преимущество прививанных мембран (см. на такой же диаграмме) стабилность интенсивности течения. Экспириментально показано более лучше чем для Nafion®- заполненного отсека топливного бака.

Журнальная Статья AZoNanotechnology - Течение как функция времени достиганного прививанным отсеком топливного бака PS (красным) сравненным с одним достиганное с Nafion®-Заполненное одним (синь).

Диаграмма 6. Течение как функция времени достиганного прививанным отсеком топливного бака PS (красным) сравненным с одним достигла с Nafion®- заполненное одним (синь).

Заключения

В заключение, кажется, что может этот метод уже произвести малые отсеки топливного бака размера с высокими эффективностями (стартовым времененем, стабилностью, концентрацией тока) которые легко integrable на кремнии по низким ценам без помощи любого фильма иономера как протон-дирижируя мембрана. Furthermore, разумно предпологать что более лучшие представления будут достиганы после уменьшения в диаметре поры и прививать новых молекул.

Справки

1. Международная Дорожная карта для Полупроводников, исполнительная сводка. Технический рапорт, SIA. Восстановлено от http://public.itrs.net/, 2003, 57.

2. C. Hebling, «Портативные Топливные Батареи», Бюллетень 46 (7) (2002) 8-12 Отсека Топливного Бака.

3. Lu G.Q., Wang C.Y., Иена T.J., Zhang X., «Развитие и Характеризация из Кремни-Основанного Отсека Топливного Бака Метанола Micro Сразу», Electrochim. Acta (5) (2004) 821.

4. Kelley S.C., Deluga G.A., Smyrl W.H., «Миниатюрные Отсеки Топливного Бака Изготовленные на Субстратах Кремния», J. 48 (5) (2002) 1071 AIChE.

5. Motokawa S., Mohamedi M., Momma T., Shoji S., Осака T., «MEMS-Основал Конструкцию и Изготовление Отсека Топливного Бака Метанола Micro Нового Понятия Сразу (µ-DMFC)», Связи 6 Электрохимии (2004) 562-565.

6. J. Yu, P. Cheng, Ma Z., B. Yi, «Изготовление Миниатюрного Отсека Топливного Бака Вафли Кремния с Улучшенными Представлениями», Источники Питания 124 J. (2003) 40-46.

7. Дзот C.E., B. Ma, Simmons K.J., Rollins H.W., J. Liu, J. Ma, Мартин C.W., DesMarteau D.D., Зондировать Флуоресцирования Солнця Y., «Номинального и Врем-Resolved Спектроскопический Микроструктур и Свойств Perfluorinated Мембран Полиэлектролита», Журнал Электроаналитической Химии 459 (1998) 15-28.

8. A. Halimaoui, в Свойствах Пористого Кремния, редактируемых L. Canham, опубликованным INSPEC, VOL. 18 (1997).

9. Lehmann V., Электрохимия Кремния, Wiley-VCH, 2002.

10. R. Angelucci, A. Poggi, L. Dori, Cardinali G.C., A. Parisini, A. Tagliani, Mariasaldi M., F. Cavani, «Проникло Пористый Кремний для Изготовления Датчика Углерода», Датчиков и Приводов A 74 (1999) 95-99.

11. A. Занозы, J. Stürmann, W. Benecke, «Романная Пористая Технология Образования Кремния Используя Внутреннее Настоящее Поколение», Циновка. Sc. и ENG C (2001) 109-112.

12.   Pichonat T., B. Gauthier-Манюэля, D. Hauden, «Новая Протон-Дирижируя Пористая Мембрана Кремния для Малых Отсеков Топливного Бака», Chem. J. ENG , 1-3 (2004) 107-111.

Детали Контакта

Бернард Gauthier-Манюэль

FEMTO-ST CNRS UMR 6174
Département LPMO
32, Бульвар de l'Observatoire
25044 Besançon Cedex
Франция
gauthier@lpmo.edu

Tristan Pichonat

IEMN CNRS UMR 8520
Бульвар H. Poincaré
BP 69
D'Ascq Cedex 59652 Villeneuve
Франция
tristan.pichonat@isen.iemn.univ-lille1.fr

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

Last Update: 13. June 2013 04:24

Ask A Question

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

Leave your feedback
Submit