Utilizar KFM y CS-AFM con Control Del Medio Ambiente En la Investigación de la Pila de Combustible

Por Shijie Wu y DA-Ming Zhu
Patrocinado por las Tecnologías de Keysight

Temas Revestidos

Introducción
Fundamentos de la Pila de Combustible
Estructura de Nafion
Métodos e Instrumentación
Medición de KFM
Medición de CS-AFM
Resumen
Referencias
Sobre las Tecnologías de Keysight

Introducción

Este artículo ilustra el ajuste experimental para la microscopia y actual-detectar (KFM) de la fuerza de Kelvin proyección de imagen atómica de la microscopia de la fuerza (CS-AFM) bajo humedad controlada usando un sistema de Keysight 5500 AFM. Los resultados del estudio de una membrana del intercambio de protón usando KFM y CS-AFM bajo humedad controlada también se presentan aquí. Estos resultados demuestran que KFM y CS-AFM son herramientas potentes para estudiar las propiedades superficiales y la conductividad iónica de las membranas del intercambio de protón usadas en tecnología de la pila de combustible.

Fundamentos de la Pila de Combustible

Las pilas de Combustible están entre las tecnologías dominantes que ofrecen la energía limpia con eficiencias de conversión más altas. Las pilas de Combustible se utilizan para mover por motor muchas aplicaciones eléctricas - de los dispositivos portátiles a los automóviles y a los vasos marinos. Sin Embargo, sigue habiendo dos retos importantes en el camino a la comercialización completa de la tecnología de la pila de combustible: (1) para reducir el costo así que lo llega a ser económicamente competitivo con tecnologías existentes de la potencia y (2) para aumentar la durabilidad y el curso de la vida de los sistemas de la pila de combustible. Por Lo Tanto, los investigadores se han estado centrando sus esfuerzos en desarrollar y caracterizar los materiales que podrían ayudar en cumplir estos requisitos.

Una pila de combustible de la sólido-membrana es el sistema más prometedor para el transporte de poca potencia y los dispositivos electrónicos portátiles. En este sistema, una membrana del intercambio de protón (PEM), también conocida como membrana del electrólito del polímero, se intercala entre dos electrodos. El PEM permite que solamente H+ pase a través para terminar el circuito para el flujo actual. Por Lo Tanto, las propiedades mecánicas y térmicas así como la conductividad iónica del PEM todas desempeñan un papel vital en el funcionamiento de la pila de combustible. Un PEM ampliamente utilizado en pilas de combustible de la sólido-membrana es Nafion, un polímero perfluorinated que combine un hidrofóbico Teflon-Como la espina dorsal con los grupos laterales iónicos hidrofílicos.

Estructura de Nafion

Aunque la estructura de Nafion haya extraído la atención de muchos investigadores, un retrato detallado es difícil de obtener porque cambia con la relación de transformación de los dos componentes. Un modelo reciente basado en experimentos el dispersar de radiografía del pequeño-ángulo sugiere que la membrana de Nafion consiste en los “canales de agua” formados por los grupos sulfónicos hidrofílicos utilizados por las espinas dorsales y los cristalitos hidrofóbicos de Nafion [2] del polímero. La estructura química de la membrana de Nafion y “el modelo del canal de agua” se ilustran en el Cuadro 1.

Cuadro 1. modelo de la estructura Química y “del canal de agua” de la membrana de Nafion. Las Imágenes se adaptaron de public domain con la autorización del autor [1].

Los “canales de agua” proporcionan a los pasos para los pequeños cationes como los protones, mientras que paran los aniones y los electrones. El diámetro de estos canales de agua depende del contenido en agua en la membrana, haciendo un promedio de cerca de 2 a 3 nanómetro en el DERECHO del 20% y aumentando con la humedad relativa equilibrada. Como consecuencia, la conductividad iónica de Nafion depende del nivel de la hidración de la membrana, y el mando de la hidración apropiada del PEM en una pila de combustible se ha convertido en un reto en diseño de ingeniería. Así, es crítico importante entender la dependencia de la propiedad de transporte iónica de un PEM de su estado de la hidración.

La microscopia de Exploración de la antena (SPM) se ha aplicado para estudiar la morfología, las estructuras de dominio iónicas, y la conductividad iónica de las membranas del intercambio de protón [3, 4]. Mientras Que el modelo teórico sugiere [2], la superficie de Nafion consiste en regiones hidrofóbicas (correspondiente a la espina dorsal del polímero) y regiones hidrofílicas (correspondiente a los grupos laterales iónicos uno mismo-ordenados).

Determinar a estos diversos grupos en una superficie del PEM es una tarea difícil. Se han hecho las Tentativas de distinguir los sitios hidrofóbicos de los sitios hidrofílicos vía proyección de imagen de la fase usando el modo AFM [3] de la CA. Sin Embargo, la señal de la fase en el modo AFM de la CA depende de la fuerza total de la acción recíproca entre la punta del AFM y la superficie de la muestra, así que la identificación de los atados iónicos basados en la imagen de la fase podría ser ambigua en algunos casos. Por otra parte, porque los atados iónicos pueden exhibir diversas cantidades de carga comparadas a la región hidrofóbica del polímero, la exploración de microscopia de la fuerza de Kelvin se puede utilizar para medir directamente la variación potencial superficial en la membrana de Nafion. Como consecuencia, la distribución de los atados iónicos en la superficie de la membrana se puede determinar de la imagen de KFM.

Entre las diversas técnicas experimentales de la microscopia de la antena de la exploración, actual-detectar el AFM, también conocido como conducto del AFM, es determinado útil para estudiar el proceso de transporte de protones en las membranas del intercambio de protón [4]. En CS-AFM, se utiliza una punta de conducto Pinta-Revestida. En un ajuste experimental tal como eso ilustrada en el Cuadro 2, la punta Pinta-Revestida del AFM sirve como el electrodo superior. El PEM bajo estudio se intercala entre la punta y el electrodo que utiliza inferior, formando una pila de combustible miniatura localizada.

Cuadro 2. estudio de CS-AFM de la conductividad del ión del PEM. La configuración de la Pinta tip/PEM/Pt/Z forma una pila de combustible miniatura en este ajuste.

Cuando un polarizado positivo se aplica a la punta del AFM, H+ será generado en el electrodo superior por la reacción siguiente:

HO2 ½ del → O2 + 2H+ + 2e-

Los protones después pasarán el PEM a través de los “canales de agua existentes” y recombinarán con los electrones en el electrodo de tierra:

2H+ + 2e- → H2

Por Lo Tanto, midiendo la corriente que atraviesa la punta del AFM mientras que explora sobre la superficie del PEM en la fuerza constante, la distribución local de los canales “activos” de la conducción y la dependencia de la conductividad iónica del nivel de la hidración se pueden obtener cuantitativo.

Métodos e Instrumentación

Nafion 115 y Nafion 212 (comprado de CleanFuelCell, Inc.) se utilizan para los experimentos. Estas membranas son calientes prensadas sobre un electrodo de Pt/C. El electrodo de Pt/C se hace de las películas de la Pinta depositadas en el paño del carbón. Un pedazo pequeño, cuadrado de la membrana/de la muestra del electrodo es asociado a un substrato del metal pegando las esquinas con la pintura de plata conductora, saliendo de suficiente espacio en el centro para la circulación de aire. El electrodo de Pt/C entonces se conecta eléctricamente con el microscopio para la proyección de imagen de KFM o de CS-AFM.

un Keysight 5500 AFM equipado de una cámara de atmósfera controlada de PicoAPEX, de un controlador aéreo del Modo III del MAC, y de un analizador los 90µm multiusos se utiliza aquí. El compartimiento de PicoAPEX proporciona a un ambiente localizado para la muestra sin afectar a la operación del analizador y de la electrónica que controla. Los Experimentos se realizan en 24°C con un nivel controlado de la humedad relativa. El mando de Humedad es observado poniendo un cubilete con agua en el compartimiento de PicoAPEX y purgando el aire seco a través del compartimiento. Controlando el índice de la circulación de aire seca, un nivel constante de la humedad se mantiene durante el experimento.

Medición de KFM

En estos experimentos, la medición de KFM se hace vía una aproximación en una pasada con un controlador aéreo del Modo III del MAC de Keysight, que tiene accesorio tres, independiente bloqueo-en los amplificadores. Durante la medición de KFM, dos bloqueo-en los amplificadores del controlador aéreo del Modo III del MAC se utilizan generalmente simultáneamente, con el primer bloqueo-en el amplificador que sigue su trayectoria la oscilación mecánica del voladizo para la proyección de imagen de la topografía y la segunda bloqueo-en el amplificador que sigue su trayectoria la modulación eléctrica para la medición de la fuerza electroestática. Las puntas usadas para la medición de KFM son las puntas de Pt/Ti-coated Si (NSC-14 de MikroMash) con un constante de fuerza de ~5 N/m.

El principio de la medición de KFM y de un procedimiento experimental detallado puede ser encontrado hacia adentro [5]. Cuando una punta conductora es en polarización negativa en un voltaje de C.C.Udc contra la superficie de la muestra, y una pequeña modulación Usin (acωt) de la CA se aplica a la punta simultáneamente, después la fuerza electroestática total experimentada por la punta se puede desplegar en una serie de contribuciones correspondiente a los armónicos básicos y más altos de la modulación eléctrica:

Felec = Fdc + F (ω) + F (2ω) +… (Eq.1)

El primer término, Fdc , en la Ecuación 1 es un componente de la C.C. y no hace una contribución para alisar medición potencial. El segundo término, F (ω), correspondiente a la reacción de frecuencia fundamental a la modulación eléctrica, se da cerca

donde está la diferencia el φsample = (tipΦ - Φ) /q potencial de contacto (CPD) entre la muestra y la punta, que se define como la diferencia entre las funciones de trabajo, Φsample y Φtip, dividió por q, la carga elemental. De la Ecuación 2, F (ω) = 0 cuando Udc = φ (es decir, se anula la fuerza electroestática cuando el potencial aplicado de la C.C. en la punta iguala el CPD). Puesto Que Φ estip generalmente constante para un material metálico sabido usado para la punta conductora, la variación de Φ sobresample la superficie de la muestra puede ser medida midiendo el CPD. Como consecuencia, el CPD medido de un experimento de KFM a menudo se llama el potencial superficial de la muestra. En la práctica, el potencial superficial es medido anulando el componente de fuerza electroestática, F (ω), con un servo-bucle que suministre un desplazamiento de la C.C. a la punta.

El tercer término, F (2ω), en la Ecuación 1, correspondiente a la segunda reacción armónica a la modulación eléctrica, se da cerca

Por Lo Tanto, la amplitud de la segunda reacción armónica mide dC/dz, el cambio de la capacitancia en cierta altura encima de la superficie de la muestra. Como en un condensador simple, la capacitancia entre dos electrodos metálicos depende de las propiedades dieléctricas de los materiales medianos. Por Lo Tanto, el dC/dz medido proporciona a la información sobre la variación del dieléctrico y las propiedades de la polarización a través de la muestra alisan.

Las imágenes potenciales de la topografía y de la superficie de Nafion 212 obtenido en el DERECHO del 16% se muestran en los Cuadros 3 (a) y (b), respectivamente. La imagen de la topografía muestra que la superficie de la membrana de Nafion 212 tiene atado-como así como fibra-como los materiales extender por la superficie. La imagen potencial superficial revela que la gran diferencia potencial, tan arriba como ~300 milivoltio, existe entre las áreas distintivas en la superficie de Nafion. Las áreas de un potencial superficial más alto corresponden al atado y fibra-como las estructuras con una densidad de una carga más positiva comparada a las áreas del potencial de una superficie más inferior. Es posible que las áreas del alto-potencial están asociadas a las áreas hidrofóbicas y las áreas del inferior-potencial están asociadas a las regiones iónicas hidrofílicas. Debido al blindaje por las moléculas de agua en la superficie, el potencial uniforme de la demostración iónica la hidrofílica de las regiones con menos detalles de la estructura subyacente. La imagen de la capacitancia (dC/dz) obtenida con la imagen potencial superficial se muestra en el Cuadro 3 (c). La imagen de dC/dz muestra Generalmente una amplitud más alta para la región del inferior-potencial y una amplitud más inferior para la región del alto-potencial.

Cuadro 3. Topografía (a), potencial superficial (b), e imágenes de la capacitancia (c) de Nafion 212 en el DERECHO del 16%.

El efecto del agua sobre el potencial superficial es evidente cuando se aumenta el nivel de la humedad. Tal y como se muestra en del Cuadro 4, en el DERECHO del 37%, la imagen potencial superficial de Nafion 115 llega a ser en gran parte uniforme a excepción de algunas ubicaciones determinadas. También se muestra en el Cuadro 4 la imagen de la fase de la superficie de Nafion 115 cerco al mismo tiempo. La imagen de la fase revela características en las mismas ubicaciones en la superficie que la imagen potencial superficial. Sin Embargo, la imagen de la fase muestra la señal más alta constante de la fase para las estructuras, mientras que la imagen potencial superficial da enfrente del contraste para las ubicaciones diferentes sobre las estructuras. Así, usar solamente la señal de la fase de determinar regiones iónicas en la superficie podía ser escaso.

Cuadro Fase de 4. (a) e imágenes superficiales del potencial (b) de Nafion 115 en el DERECHO del 37%.

Medición de CS-AFM

En estos experimentos, la medición de CS-AFM se realiza usando un cono de nariz de CS-AFM con un preamplificador 1nA/V que mida la corriente que atraviesa el AFM. Las puntas conductoras son las antenas de Pt/Ti-coated Si (CSC-17 de MikroMash) con un constante nominal del muelle de 0,15 N/m y una resistencia a granel de 0,01 a 0,05 Ω*cm. Antes De Que se tome cada medición, la muestra y la punta de Nafion se permiten establecer en el compartimiento de PicoAPEX por 2 a 3 horas para permitir el nivel de la humedad estabilizarse. Como se ilustra en el Cuadro 2, la configuración de la Pinta tip/PEM/Pt/C en un ajuste de medición de CS-AFM esencialmente forma una pila de combustible miniatura y el comportamiento iónico del transporte de la membrana del intercambio de protón puede ser estudiado midiendo la corriente de conducto con la punta del AFM.

La topografía y la imagen actual para Nafion 212 en el DERECHO del 50% se muestra en el Cuadro 5. El perfil actual de una única línea a lo largo de la dirección horizontal también se presenta en el Cuadro 5. examen Cercano de la imagen de la topografía y la imagen actual revela poca correlación entre la corriente medida y la topografía. Esto indica que la corriente medida está asociada de hecho a los canales ión-conductores que existen en la membrana.

Cuadro 5. Topografía (a), corriente (b), y perfil actual (c) para Nafion 212 en el DERECHO del 50%.

Como la imagen potencial superficial en el Cuadro 3 (b), la imagen actual en el Cuadro 5 (b) también revela el atado y fibra-como las estructuras en la superficie que tienen una conductividad más inferior comparada al descanso de la superficie. La conductividad más inferior de éstos fibra-como las estructuras sugiere que correspondan a la región hidrofóbica del polímero que forma la espina dorsal de la membrana de Nafion. Esta conclusión es también constante con la medición potencial superficial. Sin Embargo, a diferencia de la medición potencial que mide el sitio iónico en la superficie, la medición de CS-AFM detecta una corriente iónica conductora solamente cuando la punta está en contacto con un canal del transporte de ión que se ejecute a través de la membrana (es decir, CS-AFM mide solamente el “canal activo” en la membrana). Porque la conductividad del ión medida con CS-AFM depende del área de contacto entre la punta y la superficie, es importante mantener la fuerza constante durante proyección de imagen.

Puesto Que la punta usada en este experimento es cerca de 20 a 30 nanómetro de tamaño y también debido a la existencia posible del menisco del agua en el interfaz de la punta-membrana, es imposible determinar inequívoco los canales individuales del ión (que es varios nanómetros de tamaño basado en “el modelo del canal de agua” discutido anterior). Aunque la medición de CS-AFM no puede resolver los canales individuales del ión, no obstante ofrece un método de confianza para estadístico analizar la distribución de los atados iónicos activos en una superficie de la membrana y su conexión con la red iónica al azar [4]. De la distribución, la densidad de los canales del protón y la conductancia de monocanales pueden ser derivadas.

El Cuadro 6 muestra la distribución actual para Nafion 115 en el DERECHO del 36% y el DERECHO del 48%. El cambio en la distribución actual con el aumento de la humedad sugiere que como la humedad aumenta, formación de nuevos atados iónicos activos y la extensión de los canales iónicos activos existentes puede ocurrir. El aumento de tamaño del atado y la formación de nuevos atados aumenta importante la interconexión entre los atados, y así la conductividad.

Cuadro 6. distribuciones Actuales para Nafion 115 en el DERECHO del 36% (a) y el DERECHO del 48% (b), respectivamente.

Resumen

Las membranas de Nafion usadas para la fabricación de la pila de combustible se estudian usando KFM y CS-AFM bajo humedad controlada. Las imágenes de KFM muestran la existencia de regiones hidrofílicas e hidrofóbicas en la superficie de la membrana, correspondiente a los atados iónicos y a las espinas dorsales del polímero. La medición de CS-AFM proporciona al análisis seguro con respecto a la distribución de canales iónicos activos en la membrana, así como al cambio de la conductividad del ión en función de humedad relativa.

Referencias

[1] http://en.wikipedia.org/wiki/File:Nafion_structure.png

[2] K. Schmidt-Rohr, Q. Chen, “nanochannels cilíndricos Paralelos del agua en membranas de la combustible-célula de Nafion,” Naturaleza Mater. 7 (2008) 75-83.

[3] P.J. James, J.A. Elliott, T.J. McMaster, H.H. Wills, J.M. Newton, A.M.S. Elliotts, S. Hannaz, M.J. Miles, “Hidración de Nafion estudió dispersando del AFM y de Radiografía,” JMS 35 (2000) 5111-5119.

[4] X. Xie, O. Kwon, D. - M. Zhu, T. Van Nguyen, G. Lin, “distribución Local de la antena y de la conducción de las membranas del intercambio de protón,” J. Phys. Quím. B 111 (2007) 6134-6140.

[5] S. Magonov, J. Alexander, “Avance microscopia atómica de la fuerza: mediciones de exploración de propiedades eléctricas locales,” nota de aplicación de las Tecnologías de Keysight (2008).

Sobre las Tecnologías de Keysight

Keysight es una tecnología y líder del mercado electrónicos globales de la medición que ayudan a transformar la experiencia de la medición de sus clientes a través de la innovación en soluciones inalámbricas, modulares, y de programación. Keysight proporciona a los instrumentos de la medición y los sistemas y los útiles de progración relacionado electrónicos, de diseño de software y los servicios utilizados en el diseño, el revelado, la manufactura, la instalación, el despliegue y la operación del equipo electrónico. La Información sobre Keysight está disponible en www.keysight.com.

Fuente: Tecnologías de Keysight

Para más información sobre esta fuente visite por favor las Tecnologías de Keysight

Date Added: Jun 15, 2011 | Updated: Dec 16, 2014

Last Update: 16. December 2014 07:36

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