ניצול KFM ו CS-AFM עם בקרת הסביבה מחקר תא דלק

עד Shijie וו Da-מינג ז'ו

נושאים שידונו

הקדמה

מאמר זה ממחיש את ההתקנה ניסיוני מיקרוסקופ כוח קלווין (KFM) ו הנוכחי חישה הדמיה במיקרוסקופ כוח אטומי (CS-AFM) תחת לחות מבוקרים באמצעות Agilent 5500 AFM המערכת. התוצאות ממחקר של קרום חילופי פרוטון באמצעות KFM ו CS-AFM תחת לחות מבוקרים מוצגים גם כאן. תוצאות אלו מראות כי KFM ו CS-AFM הם כלים רבי עוצמה לחקר מאפייני פני השטח ואת מוליכות יונית של ממברנות פרוטון חילופי בשימוש בטכנולוגיית תא דלק.

תא דלק יסודות

תאים דלק הן בין טכנולוגיות מפתח המציעים אנרגיה נקייה עם יעילות המרה גבוהה יותר. תאים דלק משמשים כוח חשמלי יישומים רבים - ממכשירים ניידת ומכוניות ועד כלי שיט. עם זאת, שני אתגרים מרכזיים נותרים בדרך למסחור מלא של טכנולוגיית תא הדלק: (1) כדי להפחית את העלות כך הוא הופך להיות תחרותי כלכלית עם טכנולוגיות החשמל הקיימים (2) כדי להגביר את עמידות החיים של מערכות תא דלק. כתוצאה מכך, חוקרים מתמקדים מאמציהם בפיתוח ואפיון חומרים שיכולים לעזור בדרישות הללו.

מוצק קרום תא דלק היא מערכת המבטיחים ביותר להובלה אור החובה מכשירים אלקטרוניים ניידים. במערכת זו, חילופי פרוטון בממברנה (PEM), הידוע גם בשם פולימר קרום אלקטרוליט, דחוקה בין שתי אלקטרודות. PEM מאפשר רק ⁺ H לעבור כדי להשלים את מעגל עבור זרימת הזרם. לכן, תכונות מכניות תרמי, כמו גם את מוליכות יונית של PEM כל תפקיד חיוני בביצוע של תא דלק. PEM בשימוש נרחב מוצק הממברנה בתאי דלק היא Nafion, פולימר perfluorinated המשלב עמוד השדרה הידרופובי טפלון כמו עם קבוצות הידרופיליות הצד היוני.

Nafion מבנה

למרות המבנה של Nafion משכה תשומת לב של חוקרים רבים, תמונה מפורטת קשה לקבל כי שינויים עם יחס של שני הרכיבים. מודל האחרונות מבוסס על זווית קטנה רנטגן ניסויים פיזור עולה כי קרום Nafion מורכב "תעלות המים" שהוקמה על ידי קבוצות הידרופיליות sulfonic נתמך על ידי עמוד השדרה הידרופובי פולימר crystallites Nafion [2]. המבנה הכימי של Nafion הממברנה ואת "תעלת מים" המודל הם באיור 1.

1. כימית תרשים מבנה "תעלת מים" מודל של קרום Nafion. תמונות מותאם מהתחום הציבורי באישור המחבר [1].

"תעלות מים" לספק שנחשב קטיונים קטנים כמו פרוטונים, תוך עצירה אניונים ואלקטרונים. הקוטר של אלה תעלות מים תלוי בתוכן את המים בקרום, בממוצע 2-3 ננומטר 20% לחות יחסית והגדלת עם לחות יחסית equilibrated. כתוצאה מכך, מוליכות יונית של Nafion תלוי ברמת הלחות של הממברנה, ואת השליטה על הידרציה תקין של PEM בתא דלק הפכה לאתגר בתכנון הנדסי. לכן, חשוב מאוד להבין את התלות של הנכס הובלה יוניים של PEM על מצב הלחות שלו.

בדיקה מיקרוסקופית סריקה (SPM) הוחל במחקר מורפולוגיה, תחום מבנים יוניים, ועל מוליכות יונית של ממברנות חילופי פרוטון [3, 4]. כאשר המודל התיאורטי מציע [2], את פני השטח Nafion מורכב האזורים הידרופובי (המקביל לשדרת פולימר) ואזורים הידרופילי (המקביל ל העצמית אירגנו קבוצות הצד יוניים).

CS-AFM מדידה

בניסויים אלו, CS-AFM המדידה מתבצעת באמצעות קונוס CS-AFM האף עם מגבר קדם 1nA / V אשר מודד את זרם באמצעות AFM. טיפים מוליך הם Pt / Ti מצופה בדיקות סי (CSC-17 מ MikroMash) עם קפיץ נומינלי קבוע של 0.15 N / m ו התנגדות חלק הארי של 0.01-0.05 ס"מ * Ω. לפני כל מדידה היא נלקחה, המדגם Nafion ועל קצה מותר להתיישב בחדר PicoAPEX עבור 2 עד 3 שעות כדי לאפשר את רמת הלחות לייצב. כמו באיור 2, קצה Pt / PEM / Pt / C תצורה ההתקנה מדידה CS-AFM למעשה צורות תא דלק מיניאטורי התנהגות הובלה יוניים של קרום חילופי פרוטון ניתן ללמוד על ידי מדידת זרם לנהל דרך AFM טיפ.

הטופוגרפיה ואת התמונה הנוכחית Nafion 212 ב 50% לחות יחסית מוצג באיור 5. הפרופיל הנוכחי של בשורה אחת יחד בכיוון אופקי מוצג גם באיור 5. בחינה מדוקדקת של התמונה הטופוגרפיה ואת התמונה הנוכחית מגלה מתאם קטן בין הזרם הנמדד ואת הטופוגרפיה. זה מצביע על כך הזרם הנמדד קשורה אכן עם יון מוליך הערוצים הקיימים הממברנה.

איור 5. טופוגרפיה (א), הנוכחי (ב), ואת הפרופיל הנוכחי (ג) עבור Nafion 212 ב 50% לחות יחסית.

כמו התמונה משטח פוטנציאל באיור 3 (ב), את התמונה הנוכחית באיור 5 (ב) גם מגלה אשכול וסיבים כמו מבנים על פני השטח, כי יש מוליכות נמוכה בהשוואה לשאר השטח. מוליכות נמוכה של סיבים אלה מבנים דמויי עולה כי הם מתאימות לאזור פולימר הידרופובי אשר מהווה את עמוד השדרה של Nafion הממברנה. מסקנה זו עולה גם בקנה אחד עם מדידת פוטנציאל השטח. עם זאת, בניגוד למדידת פוטנציאל אשר מודד את האתר יוניים על פני השטח, את CS-AFM מדידה מזהה הנוכחית יוניים מוליכים רק כאשר בקצה נמצא בקשר עם ערוץ תחבורה יון שפועלת דרך הממברנה (כלומר, CS-AFM אמצעים בלבד "ערוץ פעיל" בקרום). בגלל מוליכות יון נמדד עם CS-AFM תלוי באזור המגע בין קצה ועל פני השטח, חשוב לשמור על כוח קבוע במהלך ההדמיה.

מאז קצה השתמשו בניסוי הזה הוא על 20-30 ננומטר בגודל וגם בגלל קיומו האפשרי של המניסקוס מים ממשק קצה הממברנה, אי אפשר לזהות באופן חד משמעי תעלות יונים בודדים (כל אחד מהם הוא בגודל כמה ננומטרים בהתבסס על מודל "ערוץ מים" דנו קודם לכן). אף על פי מדידה CS-AFM אינו מסוגל לפתור תעלות יונים בודדים, זה בכל זאת מציע שיטה אמינה סטטיסטית בניתוח הפצה של אשכולות יוניים פעיל על פני השטח קרום והקשר שלהם עם הרשת יוניים אקראי [4]. מתוך החלוקה, צפיפות של ערוצי פרוטון המוליכות של ערוצים בודדים ניתן לגזור.

איור 6 מציג את התפלגות הנוכחית Nafion 115 ב 36% לחות יחסית ו 48% לחות יחסית. השינוי בהתפלגות הנוכחית עם לחות הגדלת עולה כי ככל מגביר לחות, היווצרות אשכולות חדשים יוניים פעיל והרחבת ערוצים קיימים יוניים פעיל עלולה להתרחש. הגדלת גודל האשכול ויצירת אשכולות חדשים מגביר באופן משמעותי את הקישוריות בין אשכולות, ולכן המוליכות.

איור 6. הפצות נוכחי עבור Nafion 115 ב 36% לחות יחסית (א) ו 48% לחות יחסית (ב), בהתאמה.

תקציר

ממברנות Nafion המשמשים לייצור תא דלק נלמדים באמצעות KFM ו CS-AFM תחת לחות מבוקרים. תמונות KFM להראות את קיומה של אזורים הידרופילי ו הידרופובי על פני קרום, המתאים אשכולות יוניים ואת עמוד השדרה פולימר. CS-AFM המדידה מספק ניתוח אמין לגבי הפצה של ערוצי יוניים פעיל הממברנה, כמו גם את השינוי של מוליכות יון כפונקציה של לחות יחסית.

הפניות

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

[2] ק 'שמידט, רוהר, ש חן, "nanochannels מים גלילי מקבילים בתאי דלק ממברנות Nafion," סטאבט הטבע. 7 (2008) 75-83.

[3] ג'יי ג'יימס, JA אליוט, TJ מקמאסטר, צוואות HH, JM ניוטון, AMS אליוט, ש Hannaz, מיילס MJ, "שתייה של Nafion למד על ידי AFM ו רנטגן פיזור", JMS 35 (2000) 5111-5119 .