OARS - Open Access Rewards System
DOI : 10.2240/azojono0102

Nanostructured Membran: Ett Nytt Klassificerar av den Protonic Ledaren för Miniatyr Tankar Celler

Bernard Gauthier-Manuel och Tristan Pichonat

Sänt: December 20th, 2004

Postat: Juli 15th, 2005

Täckte Ämnen

Abstrakt begrepp

Bakgrund

Metoder och Material

Resultat och Diskussion

Avslutningar

Hänvisar till

Kontakten Specificerar

I detta pappers- tankar ett nytt långt som realiserar miniatyren, celler (FC) visas genom att använda nanostructured porösa silikoner (PS) som en protonic ledare. Denna lösning gäller kemiskt inympa av molekylar som innehåller ionizable grupper på porväggarna för att efterapa strukturera av en ionomer, liksom Nafion® som vanligt är van vid ser till att protonconductivityen av proton-utbytet membranet (PEM) tankar celler. Genom Att Använda denna teknik produceras ett oorganiskt, structurally stall, protonen som förar membranet, med många optimizable parametrar liksom por storleksanpassar, och por strukturerar av membranet och naturen av de inympade molekylarna. Denna potentiellt splittra teknologi låter produktionen av lowen kostar litet tankar celler som är kompetent till jordbruksprodukter som den viktiga elektriska strömmen utan missgynnar släkt till bruket av ionomers. Kapaciteterna erhållande av dessa material är av ett bättre kvalitets-, jämfört till liknande tankar celler genom att använda Nafion®.

Nuförtiden knyter kontakt designen av energikällor som är kompetent att driva lika mobiltelefoner för bärbara apparater, bärbar datordatorer eller nomad- avkännare, är en utmaning. Dessa apparater drivas just nu med batterier som begränsar deras autonomi och kräver människaingripande och källor för elektrisk energi att recharge. Dessutom frambringar de avfalls som är okompatibla med deras spridning. I de nästa 10 åren förutser landskampteknologikretsschemat för halvledare [1] en minskning av spänningen som krävs för att driva arbetet av microcircuits in mot 0,6 V. Bruket av miniatyren tankar celler (FC) verkar ett attraktivt långt att driva bärbar elektronik med en rengöring och en påfyllbar energikälla. Detta är ett av resonerar för att förklara den intensiva aktiviteten som uppstår just nu i FC-forskningen, sätter in. Bland alla sorter av FC är endast två egentligen passande för miniatyrisering. Begränsningen kommer huvud från den funktionsdugliga temperaturen som krävs att vara lägre än 100°C. Ett av dem är membranet FC för proton (PEM)utbytet. En nyckel- beståndsdel av en PEM FC är membranet som måste ha kickconductivity för protons och vara impermeable till all annat gåvaart (H2, Nolla2, bevattnar, någon annat tankar, etc.).

statlig - av - - konstminiatyren FC [2-6] använder allmänt ionomeren filmar för att föra protons från anoden, var vätet konsumeras, till katoden producera, med förminskningen av syre, bevattnar, den elektriska strömmen och värmer. På den närvarande tiden nes den bäst conductivityen (0,08-1 S.cm) av Nafion® perfluorosulfonated membran. Emellertid kostar kicken, och den geometriska ostadigheten under hydration är endast några av de stränga tvången av sådan polymrer.

Naturen av det ledande processaa för proton i ett ionomeric membran liksom Nafion® förstås inte fortfarande fullständigt. Den närvarande konsensusen [7] är att beskriva ett Nafion® membran, som ett skelett av hydrophobic kedjar, däribland förbindelsehydrophilic områden som att innehålla bevattnar molekylar. Diametern av förbinda kanaliserar är omkring 3 nm. Den låga styvheten av detta skelett är ansvariga för bulnaden av membranet med hydration som svar på molekylära växelverkan.

Här visas en potentiellt splittra teknologi som låter ett nytt långt realisera att den protonic ledningen fungerar i ett litet storleksanpassar FC.

Metoder och Material

Idén som framkallas i detta arbete, är försök att reproducera det molekylärt strukturerar av Nafion® porösa silikoner (PS) och riktar att inympa av protonen som förar molekylar på ytbehandla av porna, ser till den krävda conductivityen.

Första arrangerar är genomförandet av silikonmembranen genom att använda klassisk photolithography och blöter kemisk etsning i KOH av (100) orienterade silikonrån. att Maskera erhålls med ett fräst CR-Au lagrar (CRlagrar av 15 nm tjockt och Aulagrar av 800 nm tjockt). En föregående termisk oxidation av silikonrånet ser till den elektriska isoleringen av membranet. Membrantjockleken fixas till µm 50, genom att justera bearbeta tid och temperatur. Att bearbeta för Kollektiv låter oss erhålla samtidigt 69 membran på en 4" rånet.

Silikonmembran göras därefter porösa, i en understödja arrangera, vid anodization i a dubblett-tankar cell [8] som tänkas ut av AMMT som Är gmbH och består av två halva-celler som Halv Liter-elektroder fördjupas i. Silikonrånet avskiljer och isolater de två halva-cellerna. Electrolyten som används för anodization, är en lösning ethanoic-HF (50% av ren ethanol och 50% av en 48% HF-lösning). Anodization bärs ut i mörkret på den konstant strömmen. Med phosphorus-dopat 0.012-0.014 ohm.cm n+- skriva silikonrån, och en strömtäthet från 18 till 36 mA.cm-2, erhåller vi por från 6 till diametern för 10 nm och en porositet av omkring 50% [9]. Ett tvärsnitt av porösa det erhållande silikonmembranet skissas på figurera 1.

AZoNano - Föra Journal över Direktanslutet av Nanotechnology - det Schematiska tvärsnittet beskådar av det porösa silikonmembranet. Silikon är i grå färg, porösa silikoner är i rosa färg.

Figurera 1. Det Schematiska tvärsnittet beskådar av det porösa silikonmembranet. Silikon är i grå färg, porösa silikoner är i rosa färg.

Den föregående avlagringen av Aulagrar låter localizationen av porositeten på silikonmembran under anodization. Sannerligen ett enkelt lagrar för LPCVD som34Si används allmänt som det maskera lagrar för lokaliserad PS (se for example [10]) som skulle för att inte låta lång anodization, som dyrbart, belägger med metall (Au, Halv Liter och Ag) låter. Silikonoxidlagrar under detAu lagrar undviker något parasitic bildande av PS med den inre strömmen för möjligheten som frambrings mellan silikonsubstrate och det metalliska lagrar [11]. När anodization uppnås, sköljas membran in i ett oxiderande bad (Le Vert saneringslösning från Prevor) som neutraliserar HF-lösningen. Därefter deionized bevattnar flera bad, och isopropylalkohol används för att skölja och förminskande spänning in i por. Membran torkas slutligen i omgivande luftar. PS-membran med en silica ytbehandlar lagrar erhålls. Karakteriseringen av dessa porösa membran göras av FESEM (Sätta In Verkställer ScanningElektronMikroskopet) som avbildar, och ett typisk beskådar av tvärsnittet av membranet föreställs in figurerar 2.

AZoNano - Föra Journal över Direktanslutet av Nanotechnology - FESEM-tvärsnittet beskådar av ett poröst silikonmembran för n+-type. Channels har en genomsnittlig diameter av 10 nm.

FESEM-tvärsnittet beskådar av ett n+- skriva det porösa silikonmembranet. Channels har en genomsnittlig diameter av 10 nm.

Som bevisat av conductivitymätningar [12] och FESEM som avbildar, endast några, kanaliserar öppnas totalt med denna processaa anodization. Sannerligen tack vare går inhomogeneityen av råntjockleken, när första kanaliserar öppet på baken av membranen, strömmen till och med dessa öppnade por, och anodizationen fortsätter ej längre på de andra porna. Att lösa detta problem, kort reactive en processaa jonetsning (R.I.E.) används genom att använda SF och6gasar2för silikonetsning på baken av membranen för att se till att alla por öppnas [12]. Detta processaa etsar µm omkring 2 tjockt i minut 3. vilket är nödvändigt beträffande att öppna den hela bakporositeten. Karakteriseringen av öppnade por bärs ut av conductivitymätningar i en lösning för 3% saltsyraelectrolyte.

Att att se till den protonic conductivityen och tvärtemot en föregående lösning som består av fyllnads- por med en Nafion®®för de första utredningarna. Som ytbehandla av PS täckas av ett oxidlagrar, kan det klassiska processaa av silanizationen direkt användas. Första steg består av att skapa silanol fungerar (Si-OH) på ytbehandla av PS. Ett mer ren mjukt processaa gällande UV ozon har lyckat genomförts. Detta processaa skapar önskad fungerar utan geometriska ändringar, tvärtemot som ett föregående blöter processaa behöva en immersion in i ”den Piranha” lösningen (blandning av en 80% lösning av ren sulfuric syra med 20% av 33% en aqueous lösning av väteperoxiden) som framkallade membrandeformeringar. Inympa av silanemolekylar realiseras därefter, genom att fördjupa de hydrophilic porösa membranen in i en 1% lösning av den syrliga silanen i ethanol för 1 timme (tid som empirically är beslutsam med conductivitymätningar) på rumstemperaturen, och omgivande lufta. Figurera 3 shows en molekylär simulering av det processaa.

AZoNano - Föra Journal över Direktanslutet av Nanotechnology - Beskåda av det molekylära fjäll av silanemolekylar som jämförs till en PS-por för diametern 6nm. En av molekylen inympas på ytbehandla. Si (guling), (röd) Nolla, H (vit), C (grå färg) och N (blått)

Figurera 3. Beskåda av det molekylära fjäll av silanemolekylar som jämförs till en PS-por för diametern 6nm. En av molekylen inympas på ytbehandla. Si (guling), (röd) Nolla, H (vit), C (grå färg) och N (blått).

För att byta ut - Na-ändelser by - H-ändelser för att få det verkliga carboxylic uppförandet för inympad fungera, membran fördjupas för 12 timmar i en lösning 20% av sulfuric syra, då fullständigt sköljt, i deionized, bevattna. Att avsluta FC-enheten, tillfogas elektrod- och katalysatorlagrar till membranet. E-tek elektroder som komponerades av ett kol som förar torkduken som fylldes med platina (20% Halv Liter på Vulcan XC-72) användes som en H-2 Nolla-2 katalysator. En 1 µl tappar av en 5% Nafion®®

Resultat och Diskussion

Figurera 4 bästa shows (beskåda), en typisk 8 en mm FC som för en mm× 8 realiseras med ett aktivområde (i svart på figurera) av en mm 72. Geometriska parametrar optimeras inte utan väljs för att visa feasibilityen av metoden.

AZoNano - Föra Journal över Direktanslutet av Nanotechnology - Top beskådar av en miniatyr tankar cellen, fjälljämförelse med en 1 cent (euro 0,01) myntar.

Top beskådar av en miniatyr tankar cellen, fjälljämförelse med en 1 cent (euro 0,01) myntar.

H-2 NOLLA2

För att komma med gasa till membranet, testar ett hemlagat cellen användes som membranelektrodenheten monteras i. Dessutom möjliggjorde den mätningen av elektriska kontakter på varje sida av membranet, och evakueringen av gasar evakuerar. Testacellen förbands elektriskt till en voltmeter, och en ammeter med en som gör motstånd variabel laddar. Mätningar med en Nafion®- det fyllda PS-membranet som föregående in anmälas [12] har tillfogats till kännetecken I-V av det inympade porösa silikonmembranet för jämförelse. En strömtäthet av 118 mA/cm2i minsta laddning och 470 som millivolt för öppet går runt spänning, erhölls (figurera 5).

AZoNanotechnology Förar Journal över Artikeln: Kapaciteter av en inympad PS tankar (den röda) som cellen jämförs med Nafion®-Fylld (blått).

Figurera 5. Kapaciteter av en inympad PS tankar (den röda) som cellen jämförs med en Nafion®- fylld (blått).

Dessa kapaciteter bevarades för 6 timmar, så länge som enheten levererades med H. Den samma cellen också har testats flera tider efter dessa första mätningar och har nett de samma kapaciteterna. Åldras av apparaten har inte mätts ännu.

Om kapaciteterna som uppnås med båda lösningar, är jämförbara benämner in av driver täthet (17 mW.cm-2 -2®- det fyllda membranet) och strömtäthet (respektive 118 mA.cm-2-2®- det fyllda membranet. Detta kan förklaras av övergången av gasar till och med det inympade porösa membranet. Sannerligen med por för denna lösning fylls inte fullständigt, och väsentligheten gasar diffusion till och med membranet framkallar partisk omvänd spänning.

Denna skillnad av uppförande bevisar, att protonledningen till och med membranet realiseras i ett nytt långt, i grunden vid ytbehandlar conductivity mellan det carboxylic fungerar inympat på ytbehandla av porna. Övergången bör förminskas, i framtida experiment, genom att minska pordiametern till en värdera närmare förmodade i Nafion, ®strukturerar.

En jämförelse av sluttar av båda I-V buktar i de linjära styreshowsna, klart som ett lägre sluttar med det inympade membranet som indikerar en bättre conductivity än erhållande med Nafion®fyllning. Denna närvarande affärsvinst av 2,66 inte har ännu optimerats.

Verkställer av möjlighetartefactsna som är naturliga i den närvarande teknologin som nu ska, diskuteras. Det nyckel- argumentet är framgången av functionalizationen av det porösa silikonmembranet som låter protonledningen, och kapaciteterna av tankacellen bör nära förbindas till det kvalitets- av detta inympa. Utan att ha yet erhållande den kemiska karakteriseringen av monolayeren som inympas på ytbehandla av porna, är det experimentella faktumet, att ett sådan membran förar protonsna, därför att tankacellen är kompetent att leverera en elektrisk ström till och med ett yttre motstånd. Det är inte fallet med den samma sorten av cellen som realiseras med ettinympat poröst membran.

Tvärtemot en Nafion®- det fyllda membranet de hydrophilic porna av det inympade membranet fylls endast med bevattnar, och inte vid Nafionen®understöder -52 cm.s som-1 diffusionstiden av joner på en längd av µm 50 är om några,). Att avsluta mätningar för denna analysconductivity realiserades på liknande membran av mekanisk applikation av elektroder direkt på varje sida av membranet och för att bevisa den inneboende conductivityen av membranet. Men, som denna metod äger rum på den destruktiva närvarande tiden, kan det inte genomföras på det van vid byggandet för membranet cellen.

En Andra viktiga pekar bekymmer jämförelsen av den starta strömmen och stabiliteten för båda konfigurationer som visat på figurera 6. Den observerade fördröjningen (170 s) sedan starten av vätegeneratorn (time=0 s) är tack vare diffusionen av väten som bör ta fram anoden. Svarstiden av det inympade membranet (<30 s) är kortare än svarstiden av Nafionen®- fylld (300 s). Tvärtemot krävs ionomeric membran, ingen hydration för att det inympade membranet ska föra protonsna. En Annan fördel av de inympade membranen (som ses på samma, figurera), är stabiliteten av styrkan av strömmen. Det visas försöksvis bättre än för en fyllda®Nafion - tanka cellen.

AZoNanotechnology Förar Journal över Artikeln - Ström, som en fungera av tid som uppnås vid en inympad PS tankar (den röda) som cellen jämförs med den som uppnås med Nafion®-Fylld (blått).

Figurera 6. Strömmen som en fungera av tid som uppnås vid en inympad PS tankar (den röda) som cellen jämförs med den som uppnås med en Nafion®- fylld (blått).

Avslutningar

Avslutningsvis verkar denna teknik redan att vara kompetent till den små jordbruksprodukter storleksanpassar tankar celler med kickkapaciteter (starta tid, stabilitet, strömtäthet) som är integrable på silikoner på lowen kostar lätt utan hjälpen av någon ionomer filmar som ettföra membran. Dessutom är det rimligt att förvänta att ska bättre kapaciteter uppnås efter en förminskning i pordiameter och inympa av nya molekylar.

Hänvisar till

1.       LandskampKretsschema för Halvledare, utöva summariskt. Teknisk rapport, SIA. Hämtat från http://public.itrs.net/, 2003, 57.

2.       Hebling C., ”Portablen Tankar CellSystem”, Tankar CellInformation 46 (7) (2002) 8-12.

3.       Lu G.Q., Wang C.Y., Yenen T.J., Zhang X., ”Utveckling och Karakterisering av den A Silikon-Baserade Microen Riktar Methanol Tankar Cellen”, Electrochim. Acta (5) (2004) 821.

4.       Kelley S.C., Deluga G.A., Smyrl W.H., ”Miniatyren Tankar Celler som Fabriceras på SilikonSubstrates”, AIChE J. 48 (5) (2002) 1071.

5.       Motokawa S., Mohamedi M., Momma T., Shoji S., Osaka T., ”, Riktar denBaserade Designen och Fabriceringen av En Micro för Nytt Begrepp Methanol Tankar Cellen (µ-DMFC)”, ElectrochemistryKommunikationer 6 (2004) 562-565.

6.       Yu J., Cheng P., Modern Z., Yi B., ”Fabriceringen av MiniatyrSilikonRånet Tankar Cellen med Förbättrade Kapaciteter”, J. Driva Källa 124 (2003) 40-46.

7.       Bunker C.E., Modern B., Simmons K.J., Rollins H.W., Liu J., Modern J., Martin C.W., DesMarteau D.D., att Sondera för Sun Y., ”Stödja-Statligt och Time-Löst Fluorescence Spectroscopic av Microstructures och Rekvisita av Perfluorinated PolyelectrolyteMembran”, Förar Journal över av Electroanalytical Kemi 459 (1998) 15-28.

8.       Halimaoui A., i Rekvisita Av Porösa Silikoner som redigeras av L. Canham som publiceras av INSPEC, Vol. 18 (1997).

9.       Lehmann V., Electrochemistry av Silikoner, Wiley-VCH, 2002.

10.   Angelucci R., Poggi A., Dori L., Cardinali G.C., Parisini A., Tagliani A., Mariasaldi M., Cavani F., ”Genomsyrade Porösa Silikoner för HydrocarbonAvkännareFabricering”, Avkännare och Utlösare A 74 (1999) 95-99.

11.   Splittra A., Stürmann J., Benecke W., ”Ny Porös SilikonBildandeTeknologi genom Att Använda den Inre StrömUtvecklingen” som är Matt. Sc. och Engelska. C (2001) 109-112.

12.   Pichonat T., Gauthier-Manuel B., Hauden D., ”Ett Nytt Proton-Föra Poröst SilikonMembran för Litet Tankar Celler”, Chem. Engelskt. J. , 1-3 (2004) 107-111.

Kontakten Specificerar

Bernard Gauthier-Manuel

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

Tristan Pichonat

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

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

Last Update: 13. June 2013 04:30

Ask A Question

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

Leave your feedback
Submit