Het Gebruiken van KFM en Cs-AFM met MilieuControle in het Onderzoek van de Cel van de Brandstof

Door Shijie Wu en DA-Ming Zhu
Gesponsord door Keysight Technologies

Besproken Onderwerpen

Inleiding
De Grondbeginselen van de Cel van de Brandstof
De Structuur van Nafion
Methodes en Instrumentatie
Meting KFM
Cs-AFM Meting
Samenvatting
Verwijzingen
Ongeveer Technologieën Keysight

Inleiding

Dit artikel illustreert de experimentele opstelling voor de de krachtmicroscopie van Kelvin (KFM) en huidig-ontdekt atoom van de krachtmicroscopie (Cs-AFM) weergave onder gecontroleerde vochtigheid gebruikend een Keysight 5500 systeem AFM. De resultaten van de studie van een membraan die van de protonuitwisseling KFM en Cs-AFM gebruiken onder gecontroleerde vochtigheid worden ook hier voorgesteld. Deze resultaten tonen aan dat KFM en Cs-AFM krachtige hulpmiddelen zijn om de oppervlakteeigenschappen en het Ionische die geleidingsvermogen van de membranen te bestuderen van de protonuitwisseling in de technologie van de brandstofcel worden gebruikt.

De Grondbeginselen van de Cel van de Brandstof

De cellen van de Brandstof zijn onder de belangrijkste technologieën die schone energie met hogere omzettingsefficiency aanbieden. De cellen van de Brandstof worden gebruikt om vele elektrische toepassingen - van draagbare apparaten aan auto's en mariene schepen aan te drijven. Nochtans, blijven twee belangrijke uitdagingen op de weg aan volledige introductie op de markt van de technologie van de brandstofcel: (1) om de kosten te drukken zodat wordt het economisch concurrerend met bestaande machtstechnologieën en (2) om de duurzaamheid en het leven van de systemen van de brandstofcel te verhogen. Derhalve hebben de onderzoekers hun inspanningen bij zich het ontwikkelen geconcentreerd en materialen gekenmerkt die in het voldoen aan van deze vereisten konden helpen.

Een cel van de stevig-membraanbrandstof is het veelbelovendste systeem voor light-duty vervoer en draagbare elektronische apparaten. In dit die systeem, wordt een membraan van de protonuitwisseling (PEM), ook als een membraan van de polymeerelektrolyt wordt bekend, geklemd tussen twee elektroden. PEM staat slechts H toe+ overgaan door om de kring voor huidige stroom te voltooien. Daarom de mechanische en thermische eigenschappen evenals het Ionische geleidingsvermogen van PEM allen speel een essentiële rol in de prestaties van de brandstofcel. Een PEM wijd in de cellen van de stevig-membraanbrandstof is wordt gebruikt Nafion, een perfluorinated polymeer dat hydrophobic teflon-Als backbone met hydrofiele Ionische zijgroepen die combineert.

De Structuur van Nafion

Hoewel de structuur van Nafion aandacht van vele onderzoekers heeft getrokken, is een gedetailleerd beeld moeilijk te verkrijgen omdat het met de verhouding van de twee componenten verandert. Een recent die model op small-angle x-ray verspreidende die experimenten wordt gebaseerd stelt voor dat het membraan Nafion uit „waterkanalen bestaat“ door de hydrofiele sulfondiegroepen worden gevormd door de hydrophobic polymeerbackbones en de kristallieten Nafion worden gesteund [2]. De chemische structuur van het membraan Nafion en het model „van het waterkanaal“ zijn geïllustreerd in Figuur 1.

Figuur 1. Chemische structuur en „waterkanaal“ model van membraan Nafion. Beelden van openbaar domein met vergunning van auteur [1 die] worden aangepast.

De „waterkanalen“ verstrekken passen voor kleine kationen zoals protonen, terwijl het tegenhouden van anionen en elektronen. De diameter van deze waterkanalen hangt van de waterinhoud af in het membraan die, die ongeveer van 2 tot 3 NM het gemiddelde nemen bij 20% RELATIEVE VOCHTIGHEID en met de in evenwicht gebrachte relatieve vochtigheid stijgen. Dientengevolge, hangt het Ionische geleidingsvermogen van Nafion van het hydratieniveau af van het membraan, en de controle van juiste hydratie van PEM in een brandstofcel is een uitdaging in techniekontwerp geworden. Aldus, is het kritisch belangrijk om de afhankelijkheid van het Ionische vervoerbezit van een PEM op zijn hydratiestaat te begrijpen.

De de sondemicroscopie is van het Aftasten (SPM) toegepast om de morfologie, de Ionische domeinstructuren, en het Ionische geleidingsvermogen van de membranen van de protonuitwisseling te bestuderen [3, 4]. Zoals het theoretische model [2] voorstelt, bestaat de oppervlakte Nafion uit hydrophobic gebieden (aan de polymeerbackbone beantwoorden) en hydrofiele gebieden die (aan de zelf-georganiseerde Ionische zijgroepen beantwoorden).

Het Identificeren van deze verschillende groepen op een oppervlakte PEM is een moeilijke taak. De Pogingen zijn gemaakt om de hydrophobic plaatsen van de hydrofiele plaatsen via faseweergave te onderscheiden gebruikend AC wijze AFM [3]. Nochtans, hangt het fasesignaal op AC wijze AFM van de algemene interactiekracht af tussen het uiteinde AFM en de steekproefoppervlakte, zodat zou de identificatie van Ionische die clusters op het fasebeeld in sommige gevallen dubbelzinnig kunnen worden gebaseerd zijn. Anderzijds, omdat de Ionische clusters verschillende hoeveelheden last kunnen tentoonstellen in vergelijking met het hydrophobic polymeergebied, kan de aftastende de krachtmicroscopie van Kelvin worden gebruikt om de oppervlakte potentiële variatie op het membraan direct te meten Nafion. Dientengevolge, kan de distributie van de Ionische clusters op de membraanoppervlakte van het beeld worden geïdentificeerd KFM.

Onder de diverse experimentele technieken om de sondemicroscopie af te tasten, is huidig-ontdekt AFM, ook bekend als het leiden van AFM, bijzonder nuttig om het vervoerproces van protonen in de membranen van de protonuitwisseling te bestuderen [4]. In Cs-AFM, wordt een PT-Met Een Laag Bedekt het leiden uiteinde gebruikt. In een experimentele opstelling zoals dat geïllustreerd in Figuur 2, dient het PT-Met Een Laag Bedekte uiteinde AFM als hoogste elektrode. PEM in studie wordt geklemd tussen het uiteinde en de bodem ondersteunende elektrode, vormt een gelokaliseerde miniatuurbrandstofcel.

Figuur 2. Cs-AFM studie van ionengeleidingsvermogen van PEM. De configuratie van PT tip/PEM/Pt/Z vormt een miniatuurbrandstofcel in deze opstelling.

Wanneer positieve bias wordt toegepast op het uiteinde AFM, zal+ H bij de hoogste elektrode door de volgende reactie worden geproduceerd:

HO2 → ½ O2 + 2H+ + 2e-

De protonen zullen dan PEM door bestaande „waterkanalen“ overgaan en zullen met elektronen bij de onderste elektrode opnieuw combineren:

2H+ + 2e- → H2

Daarom door het huidige vloeien door het uiteinde te meten AFM terwijl het aftasten over de oppervlakte PEM bij constante kracht, kunnen de lokale distributie van „actieve“ geleidingskanalen en de afhankelijkheid van Ionisch geleidingsvermogen van hydratieniveau kwantitatief worden verkregen.

Methodes en Instrumentatie

Nafion 115 en Nafion 212 (van CleanFuelCell, Inc. wordt gekocht) worden gebruikt voor de experimenten dat. Deze die membranen zijn heet op een elektrode Pt/C worden gedrukt. De elektrode Pt/C wordt van de films van PT gemaakt op koolstofdoek die worden gedeponeerd. Een klein, vierkant stuk van het membraan/de elektrodensteekproef worden vastgemaakt aan een metaalsubstraat door de hoeken met geleidende zilveren verf te lijmen, verlatend genoeg ruimte op het centrum voor luchtstroom. De elektrode Pt/C wordt dan elektrisch verbonden met de microscoop voor weergave KFM of Cs-AFM.

een Keysight 5500 AFM met een milieukamer PicoAPEX, een Wijze III van MAC controlemechanisme, wordt en een 90µm multifunctionele scanner wordt uitgerust die hier gebruikt. De kamer PicoAPEX verstrekt een gelokaliseerd milieu voor de steekproef zonder de verrichting van de scanner en de controlerende elektronika te beïnvloeden. De Experimenten worden uitgevoerd bij 24°C met een gecontroleerd relatieve vochtigheidsniveau. De controle van de Vochtigheid wordt gerealiseerd door een beker met water in de kamer te zetten PicoAPEX en droge lucht door de kamer te zuiveren. Door het tarief van de droge luchtstroom te controleren, wordt een constant vochtigheidsniveau gehandhaafd tijdens het experiment.

Meting KFM

In deze experimenten, wordt de meting KFM gedaan via een single-pass benadering met een Wijze III van MAC Keysight controlemechanisme, dat ingebouwde drie, onafhankelijke slot-in versterkers heeft. Tijdens meting KFM, worden twee slot-in versterkers van Wijze III van MAC controlemechanisme gewoonlijk gelijktijdig gebruikt, met eerste slot-in versterker die de mechanische schommeling van de cantilever voor topografieweergave en tweede slot-in versterker volgen die de elektrische modulatie voor elektrostatische krachtmeting volgen. De uiteinden voor meting KFM worden gebruikt zijn de pt/Ti-Met een laag bedekte uiteinden van Si (nsc-14 van MikroMash) met een kracht constant die van ~5 N/m.

Het principe van meting KFM en een gedetailleerde experimentele procedure kan [5] binnen worden gevonden. Wanneer een geleidend uiteinde bij U van het gelijkstroomvoltage tegendc de steekproefoppervlakte wordt beïnvloed, en een kleine ac modulatie Usinac (ωt) gelijktijdig wordt toegepast op het uiteinde, dan kan de totale elektrostatische die kracht door het uiteinde wordt ervaren in een reeks bijdragen worden uitgebreid die aan de fundamentele en hogere boventonen van de elektrische modulatie beantwoorden:

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

De eerste termijn, Fdc , in Vergelijking 1 is een gelijkstroomcomponent en levert geen bijdrage tot oppervlakte potentiële meting. De tweede termijn, F (ω die) wordt, aan de fundamentele weergavekarakteristiek aan de elektrische modulatie beantwoorden, langs gegeven

waar φ = (Φsample - Φtip) /q het contact potentiële die verschil tussen (CPD) de steekproef en het uiteinde is, dat als verschil tussen de het werkfuncties, Φ ensample Φ wordt gedefinieerdtip, door q wordt verdeeld, de elementaire last. Van Vergelijking 2, F (ω) = 0 wanneer Udc = φ (d.w.z., wordt de elektrostatische kracht te niet gedaan wanneer het toegepaste gelijkstroompotentieel bij het uiteinde CPD evenaart). Aangezien Φtip voor een bekend metaaldiemateriaal voor het geleidende uiteinde wordt gebruikt over het algemeen constant is, kan de variatie van Φsample over de steekproefoppervlakte worden gemeten door CPD te meten. Dientengevolge, wordt CPD van een experiment KFM wordt gemeten vaak genoemd het oppervlaktepotentieel van de steekproef die. In de praktijk, wordt het oppervlaktepotentieel gemeten door de elektrostatische die krachtcomponent, F (ω), met een servo-lijn te niet te doen die een gelijkstroom levert aan het uiteinde wordt gecompenseerd.

De derde termijn, F (2ω) wordt, in Vergelijking 1, die aan de tweede harmonische reactie op de elektrische modulatie beantwoorden, langs gegeven

Daarom meet de omvang van de tweede harmonische reactie dC/dz, de capacitieve weerstandsverandering bij een bepaalde hoogte boven de steekproefoppervlakte. Zoals in een eenvoudige condensator, hangt de capacitieve weerstand tussen twee metaalelektroden van de diëlektrische eigenschappen van de middelgrote materialen af. Derhalve verstrekt gemeten dC/dz informatie over de variatie van diëlektrische en polarisatieeigenschappen over de steekproefoppervlakte.

De topografie en oppervlakte potentiële die beelden van Nafion 212 bij 16% RELATIEVE VOCHTIGHEID worden verkregen worden getoond in Cijfers 3 (a) en (b), respectievelijk. Het topografiebeeld toont aan dat de oppervlakte van Nafion 212 membraan cluster-als evenals vezel-als die materialen heeft over de oppervlakte worden uitgespreid. Het oppervlakte potentiële beeld openbaart dat groot potentieel verschil, zo hoog zoals ~300 er mV, tussen de distinctieve gebieden op de oppervlakte Nafion bestaat. De gebieden van hoger oppervlaktepotentieel beantwoorden aan cluster en de vezel-als structuren met een positievere lastendichtheid in vergelijking met de gebieden van lager oppervlaktepotentieel. Het is mogelijk dat de hoog-potentiële gebieden met de hydrophobic gebieden worden geassocieerd en de laag-potentiële gebieden met de hydrofiele Ionische gebieden worden geassocieerd. wegens onderzoek door watermolecules op de oppervlakte, tonen de hydrofiele Ionische gebieden één eenvormig potentieel met minder details van de onderliggende structuur. Het capacitieve weerstands (dC/dz) beeld met het oppervlakte potentiële beeld wordt verkregen wordt getoond in Figuur 3 (c dat). In het algemeen, toont het beeld dC/dz hogere omvang voor het laag-potentiële gebied en lagere omvang voor het hoog-potentiële gebied.

Figuur 3. Topografie (a), oppervlakte potentieel (b), en capacitieve weerstands(c) beelden van Nafion 212 bij 16% RELATIEVE VOCHTIGHEID.

Het effect van water op oppervlaktepotentieel is duidelijk wanneer het vochtigheidsniveau wordt verhoogd. Zoals aangetoond in Figuur 4, bij 37% RELATIEVE VOCHTIGHEID, wordt het oppervlakte potentiële beeld van Nafion 115 grotendeels eenvormig behalve sommige bepaalde plaatsen. Ook getoond in Figuur 4 wordt het fasebeeld van Nafion 115 tezelfdertijd verzamelde oppervlakte. Het fasebeeld openbaart eigenschappen bij de zelfde plaatsen op de oppervlakte zoals het oppervlakte potentiële beeld. Nochtans, toont het fasebeeld constant hoger fasesignaal voor de structuren, terwijl het oppervlakte potentiële beeld tegenover contrast voor verschillende plaatsen over de structuren geeft. Aldus, zou gebruiken van slechts het fasesignaal om Ionische gebieden op de oppervlakte te bepalen ontoereikend kunnen zijn.

Figuur 4. Fase (a) en oppervlakte potentiële (b) beelden van Nafion 115 bij 37% RELATIEVE VOCHTIGHEID.

Cs-AFM Meting

In deze experimenten, wordt de meting Cs-AFM uitgevoerd gebruikend een Cs-AFM neuskegel met een voorversterker 1nA/V die het huidige vloeien door AFM meet. De geleidende uiteinden zijn de pt/Ti-Met een laag bedekte sondes van Si (csc-17 van MikroMash) met de nominale lente constant van 0.15 N/m en een bulkweerstandsvermogen van 0.01 tot 0.05 Ω*cm. Alvorens elke meting wordt genomen, worden de steekproef Nafion en het uiteinde toegestaan in de kamer PicoAPEX 2 tot 3 uren regelen om het vochtigheidsniveau te laten stabiliseren. Zoals geïllustreerd in Figuur 2, vormt de configuratie van PT tip/PEM/Pt/C in een Cs-AFM metingsopstelling hoofdzakelijk een miniatuurbrandstofcel en het Ionische vervoergedrag van het membraan van de protonuitwisseling kan worden bestudeerd door de het leiden stroom door het uiteinde te meten AFM.

De topografie en het huidige beeld voor Nafion 212 bij 50% RELATIEVE VOCHTIGHEID worden getoond in Figuur 5. Het huidige profiel van één enkele lijn langs de horizontale richting wordt ook voorgesteld in Figuur 5. Het Nauwkeurig onderzoek van het topografiebeeld en het huidige beeld openbaart weinig correlatie tussen de gemeten stroom en de topografie. Dit wijst erop dat gemeten huidig inderdaad met de ionen-geleidende kanalen bestaand in het membraan wordt geassocieerd.

Figuur 5. Topografie (a), huidig (b), en huidig profiel (c) voor Nafion 212 bij 50% RELATIEVE VOCHTIGHEID.

Als het oppervlakte potentiële beeld in Figuur 3 (B), openbaart het huidige beeld in Figuur 5 (B) cluster en ook vezel-als structuren op de oppervlakte die een lager geleidingsvermogen hebben in vergelijking met de rest van de oppervlakte. Het lagere geleidingsvermogen van deze vezel-als structuren stelt voor dat zij aan het hydrophobic polymeergebied beantwoorden dat de backbone van het membraan Nafion vormt. Deze conclusie is ook verenigbaar met de oppervlakte potentiële meting. Nochtans, in tegenstelling tot de potentiële meting die de Ionische plaats op de oppervlakte meet, ontdekt de meting Cs-AFM een geleidende Ionische stroom slechts wanneer het uiteinde in contact met een ionenvervoerkanaal is dat het membraan doorneemt (d.w.z., maatregelen Cs-AFM slechts het „actieve kanaal“ in het membraan). Omdat het ionendiegeleidingsvermogen met Cs-AFM wordt gemeten van het contactgebied tussen het uiteinde en de oppervlakte afhangt, is het belangrijk om constante kracht tijdens weergave te handhaven.

Aangezien het uiteinde in dit experiment wordt gebruikt ongeveer 20 tot 30 NM in grootte en ook wegens het mogelijke bestaan van watermeniscus bij de uiteinde-membraan interface is, is het onmogelijk individuele ionenkanalen (elk van die verscheidene die nanometers in grootte op het vroeger besproken die model wordt gebaseerd „van het waterkanaal“ is) ondubbelzinnig om te identificeren. Alhoewel de meting Cs-AFM individuele ionenkanalen niet kan oplossen, biedt het niettemin een betrouwbare methode om statistisch de distributie van de actieve Ionische clusters bij een membraanoppervlakte en de hun aansluting met het willekeurige Ionische netwerk [4] aan te analyseren. Van de distributie, kunnen de dichtheid van protonkanalen en het geleidingsvermogen van enige kanalen worden afgeleid.

Figuur 6 toont de huidige distributie voor Nafion 115 bij 36% RELATIEVE VOCHTIGHEID en 48% RELATIEVE VOCHTIGHEID. De verandering in huidige distributie met stijgende vochtigheid stelt voor dat als vochtigheidsverhogingen, de vorming van nieuwe actieve Ionische clusters en de uitbreiding van de bestaande actieve Ionische kanalen kunnen voorkomen. De verhoging van clustergrootte en de vorming van nieuwe clusters verhoogt beduidend interconnectie tussen clusters, en zo geleidingsvermogen.

Figuur 6. Huidige distributies voor Nafion 115 bij 36% RELATIEVE VOCHTIGHEID (a) en 48% RELATIEVE VOCHTIGHEID (b), respectievelijk.

Samenvatting

De membranen van Nafion voor brandstofcel productie worden gebruikt worden bestudeerd gebruikend KFM en Cs-AFM onder gecontroleerde vochtigheid die. De beelden KFM tonen het bestaan van hydrofiele en hydrophobic gebieden op de membraanoppervlakte, die aan de Ionische clusters en de polymeerbackbones beantwoorden. Cs-AFM de meting verstrekt betrouwbare analyse betreffende de distributie van actieve Ionische kanalen in het membraan, evenals de verandering van ionengeleidingsvermogen als functie van relatieve vochtigheid.

Verwijzingen

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

[2] K. Vergelijkt Schmidt-Rohr, Q. Chen, „cilindrisch water nanochannels in brandstof-cel Nafion membranen,“ Aard Mater. 7 (2008) 75-83.

[3] P.J. James, J.A. Elliott, T.J. McMaster, H.H. Testament, J.M. Newton, A.M.S. Elliotts, S. Hannaz, M.J. Mijlen, „Hydratie van Nafion door zich AFM en te verspreiden van de Röntgenstraal worden bestudeerd,“ JMS 35 (2000) 5111-5119 die.

[4] X. Xie, O. Kwon, D. - M. Zhu, T. Van Nguyen, G. Lin, „Lokale sonde en geleidingsdistributie van de membranen van de protonuitwisseling,“ J. Phys. Chem. B 111 (2007) 6134-6140.

[5] S. Magonov, J. Alexander, de „Geavanceerde atoomkrachtmicroscopie: onderzoekend metingen van lokale elektrische eigenschappen,“ de toepassingsnota van Technologieën Keysight (2008).

Ongeveer Technologieën Keysight

Keysight is een globale elektronische van de metingstechnologie en markt leider die de metingservaring van zijn klanten door innovatie helpen om te zetten in draadloze, modulaire, en softwareoplossingen. Keysight verleent elektronische metingsinstrumenten en systemen en verwante die software, van het softwareontwerp hulpmiddelen en de diensten in het ontwerp, de ontwikkeling, de vervaardiging, de installatie, de plaatsing en de verrichting van elektronische apparatuur worden gebruikt. De Informatie over Keysight is beschikbaar in www.keysight.com.

Bron: De Technologieën van Keysight

Voor meer informatie over deze bron te bezoeken gelieve Technologieën Keysight

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

Last Update: 16. December 2014 07:32

Ask A Question

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

Leave your feedback
Submit