Utilizando KFM e CS-AFM com Controle Ambiental em Pesquisa de Células de Combustível

Por Shijie Wu e Da-Ming Zhu

Temas Abordados

Introdução

Este artigo ilustra a configuração experimental para Kelvin microscopia de força (KFM) e corrente com sensor de microscopia de força atômica (AFM-CS) imagens sob umidade controlada usando um Agilent 5500 AFM sistema. Os resultados do estudo de uma membrana trocadora de prótons usando KFM e CS-AFM sob condições controladas de umidade também são apresentados aqui. Estes resultados demonstram que KFM e CS-AFM são ferramentas poderosas para estudar as propriedades da superfície e da condutividade iônica das membranas de troca de prótons utilizado na tecnologia de célula de combustível.

Célula de combustível Basics

As células de combustível estão entre as principais tecnologias que oferecem energia limpa com maior eficiência de conversão. Células a combustível são usados ​​para alimentar muitas aplicações elétrica - a partir de dispositivos portáteis para automóveis e embarcações marítimas. No entanto, dois grandes desafios permanecem no caminho para a plena comercialização da tecnologia de célula de combustível: (1) para reduzir o custo para que se torne economicamente competitiva com as tecnologias de poder existentes e (2) para aumentar a durabilidade e vida útil dos sistemas de célula de combustível. Conseqüentemente, os investigadores têm vindo a concentrar seus esforços no desenvolvimento e caracterização de materiais que poderiam ajudar a cumprir esses requisitos.

Um sólido-membrana da célula de combustível é o sistema mais promissor para ligeiros de transporte e dispositivos eletrônicos portáteis. Neste sistema, um Proton Exchange Membrane (PEM), também conhecido como uma membrana de polímero, é ensanduichada entre dois eletrodos. O PEM permite apenas ⁺ H para passar para completar o circuito de fluxo de corrente. Portanto, as propriedades mecânicas e térmicas, bem como a condutividade iônica do PEM todos desempenham um papel vital no desempenho da célula a combustível. A PEM amplamente utilizado em solid-membrana das células de combustível é Nafion, um polímero perfluorado que combina um backbone Teflon-como hidrofóbicas com hidrofílicas grupos laterais iônicos.

Estrutura Nafion

Embora a estrutura de Nafion chamou a atenção de muitos pesquisadores, uma imagem detalhada é difícil de obter porque muda com a relação dos dois componentes. Um modelo recente, baseado em experimentos de pequeno ângulo de espalhamento de raios-X sugere que a membrana Nafion consiste em "canais de água", formado pelos grupos hidrofílicos sulfônico apoiado pelo backbones hidrofóbica do polímero e cristalitos Nafion [2]. A estrutura química da membrana Nafion ea "água do canal" modelo são ilustradas na Figura 1.

Figura 1 Estrutura química. E "a água do canal" modelo de membrana de Nafion. Imagens adaptadas de domínio público, com autorização do autor [1].

Os "canais de água" fornecer passes para cátions pequenos, como prótons, enquanto parando ânions e elétrons. O diâmetro destes canais de água depende do teor de água na membrana, com média de cerca de 2 a 3 nm a 20% de umidade relativa e aumentando com a umidade relativa equilibrada. Como resultado, a condutividade iônica de Nafion depende do nível de hidratação da membrana, eo controle de hidratação adequada do PEM em uma célula de combustível tornou-se um desafio no projeto de engenharia. Assim, é extremamente importante entender a dependência da propriedade transporte iônico de um PEM em seu estado de hidratação.

Microscopia de varredura por sonda (SPM) tem sido aplicado para estudar a morfologia, as estruturas de domínio iônica, ea condutividade iônica das membranas de troca de prótons [3, 4]. Como o modelo teórico sugere [2], a superfície Nafion é composto por regiões hidrofóbicas (que corresponde à espinha dorsal do polímero) e regiões hidrofílicas (correspondente ao auto-organizada grupos laterais iônicos).

CS-AFM Medição

Nesses experimentos, CS-AFM medição é realizada usando um cone de nariz CS-AFM com um pré-amplificador 1nA / V que mede a corrente que flui através da AFM. As dicas são condutoras sondas Pt / Ti-Si revestido (CSC-17 de MikroMash) com uma mola nominal constante de 0,15 N / m e uma resistividade maior parte 0,01-0,05 cm * Ω. Antes de cada medição é feita, a amostra Nafion e ponta estão autorizados a instalar-se na câmara de PicoAPEX para 2 a 3 horas para deixar o nível de umidade estabilizar. Como ilustrado na Figura 2, a ponta Pt / PEM / Pt / C de configuração em uma configuração de medição CS-AFM formas essencialmente uma célula de combustível em miniatura eo comportamento transporte iônico da membrana trocadora de prótons pode ser estudada medindo-se a atual condução através da AFM ponta.

A topografia ea imagem atual para Nafion 212 em 50% RH é mostrado na Figura 5. O perfil atual de uma única linha horizontal ao longo da direção também é apresentado na Figura 5. Exame atento da topografia e imagem a imagem atual revela pouca correlação entre a corrente medida ea topografia. Isto indica que a corrente medida é realmente associado com os canais de íon-condutivo existentes na membrana.

Figura 5. Topografia (a), corrente (b), eo perfil atual (c) para Nafion 212 a 50% UR.

Como a imagem da superfície potencial na Figura 3 (b), a imagem actual na Figura 5 (b) também revela-cluster e fibra-como estruturas na superfície que têm uma baixa condutividade comparação com o resto da superfície. A baixa condutividade destas estruturas de fibra, como sugere que eles correspondem à região de polímero hidrofóbico que forma a espinha dorsal da membrana Nafion. Esta conclusão também é consistente com a medição do potencial de superfície. No entanto, ao contrário da medição do potencial que mede o site iônica na superfície, a medição CS-AFM detecta uma corrente condutora iônica apenas quando a ponta está em contato com um canal de transporte de íons que atravessa a membrana (isto é, CS-AFM mede apenas o "canal ativo" na membrana). Porque a condutividade iônica medida com CS-AFM depende da área de contato entre a ponta ea superfície, é importante para manter a força constante durante o exame.

Desde a ponta utilizada neste experimento é de cerca de 20-30 nm de tamanho e também por causa da possível existência de menisco de água na interface membrana-ponta, é impossível identificar inequivocamente canais iônicos individuais (cada um dos quais é vários nanômetros de tamanho com base no "canal de água" modelo discutido anteriormente). Mesmo que a medição CS-AFM é incapaz de resolver os canais de íons individuais, ainda assim oferece um método confiável para análise estatística da distribuição dos clusters iônica ativa em uma superfície de membrana e sua conexão com a rede aleatória iônica [4]. Da distribuição, a densidade de canais de prótons e da condutância de canais individuais podem ser derivadas.

A Figura 6 mostra a atual distribuição de Nafion 115 em 36% RH e 48% RH. A mudança na atual distribuição com a umidade crescente sugere que à medida que aumenta a umidade, a formação de novos grupos iônicos ativos e expansão da activas existentes canais iônicos podem ocorrer. O aumento no tamanho do cluster ea formação de novos clusters aumenta significativamente a interligação entre os clusters, e, portanto, a condutividade.

Figura 6. Distribuições atuais para Nafion 115 em 36% RH (a) e umidade relativa de 48% (b), respectivamente.

Sumário

Membranas Nafion usado para a fabricação de células de combustível são estudadas usando KFM e CS-AFM sob umidade controlada. KFM imagens mostram a existência de regiões hidrofílicas e hidrofóbicas na superfície da membrana, correspondentes aos clusters iônicos e os backbones de polímero. CS-AFM medida fornece uma análise confiável sobre a distribuição dos canais iônicos ativos na membrana, bem como a mudança de condutividade iônica em função da umidade relativa do ar.

Referências

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

[2] K. Schmidt-Rohr, Q. Chen, "Parallel nanocanais água cilíndrico em Nafion membranas de células de combustível," Mater Nature. 7 (2008) 75-83.

[3] PJ James, JA Elliott, TJ McMaster, HH Wills, JM Newton, AMS Elliotts, S. Hannaz, Miles MJ, "Hidratação de Nafion estudado por AFM e de raios-X de dispersão", JMS 35 (2000) 5111-5119 .

[4] X. Xie, O. Kwon, D.-M. Zhu, T. Van Nguyen, G. Lin, "sonda local e de distribuição de condução de membranas de troca de prótons", J. Phys. Chem. B 111 (2007) 6134-6140.

[5] S. Magonov, J. Alexander ", microscopia de força atômica avançada: explorando as medidas de propriedades elétricas locais", Agilent Technologies nota de aplicação (2008).

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Agilent Technologies oferece uma ampla gama de alta precisão microscópios de força atômica (AFM) para atender às suas necessidades de investigação original. Instrumentos altamente configurável da Agilent permitem expandir as capacidades do sistema conforme suas necessidades ocorrer. Manuseio da Agilent líder da indústria ambiental / sistemas de temperatura e fluido líquido superior e permite imagens materiais macios. As aplicações incluem a ciência material, eletroquímica, polímeros e aplicações das ciências da vida.

Fonte: Agilent Technologies

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