Использовать KFM и CS-AFM с Контролем за Состоянием Окружающей Среды в Исследовании Отсека Топливного Бака

Shijie Wu и Da-Ming Zhu

Покрытые Темы

Введение
Основы Отсека Топливного Бака
Структура Nafion
Методы и Измерительное Оборудование
Измерение KFM
Измерение CS-AFM
Сводка
Справки
О Технологиях Agilent

Введение

Эта статья иллюстрирует экспириментально настроение для микроскопии и настоящ-воспринимать (KFM) усилия Кельвина атомное воображение микроскопии усилия (CS-AFM) под контролируемой влажностью используя систему Agilent 5500 AFM. Результаты от изучения мембраны обменом протона используя KFM и CS-AFM под контролируемой влажностью также приведены здесь. Эти результаты демонстрируют что KFM и CS-AFM мощные инструменты для изучать поверхностные свойства и ионную проводимость мембран обменом протона используемых в технологии отсека топливного бака.

Основы Отсека Топливного Бака

Отсеки топливного бака среди ключевых технологий которые предлагают экологически чистую энергию с более высокими эффективностями преобразования. Отсеки топливного бака использованы для того чтобы привести много электрических применений в действие - от портативных приборов к автомобилям и морским сосудам. Однако, 2 главных возможности остают на путе к полной коммерциализации технологии отсека топливного бака: будут, что экономично конкурсным с существующими технологиями силы и (2) увеличивает (1) уменьшить цену поэтому его стойкость и продолжительность жизни топливных батарей. Следовательно, исследователя фокусировали их усилия на начинать и характеризовать материалы которые смогли помочь в соотвествовать эти.

Отсек топливного бака тверд-мембраны самая перспективнейшая система для перевозки свет-обязанности и портативных электронных устройств. В этой системе, мембрана обменом протона (PEM), также известная как мембрана электролита полимера, прослоена между 2 электродами. PEM позволяет только H+ пройти до конца для того чтобы замкнуть цепь для настоящей подачи. Поэтому, механически и термальные свойства так же, как ионная проводимость PEM все играют существенную роль в представлении отсека топливного бака. PEM широко используемый в отсеках топливного бака тверд-мембраны Nafion, perfluorinated полимер который совмещает гидродобное Тефлон-Как костяк с гидрофильными ионными бортовыми группами.

Структура Nafion

Хотя структура Nafion рисовала внимание от много исследователей, детальная картина трудна для того чтобы получить потому что она изменяет с коэффициентом 2 компонентов. Недавняя модель основанная на малоугольных экспериментах по разбрасывать рентгеновского снимка предлагает что мембрана Nafion состоит из «водяных каналов» сформированных гидрофильными сульфоновыми группами поддержанными гидродобными костяками полимера и кристаллитами Nafion [2]. Химическое строение мембраны Nafion и модель «водяного канала» проиллюстрированы в Диаграмме 1.

Диаграмма 1. модель Химического строения и «водяного канала» мембраны Nafion. Изображения приспособились от сферы деятельности государства с утверждением от автора [1].

«Водяные каналы» обеспечивают пропуски для малых катионов как протоны, пока останавливающ анионы и электроны. Диаметр этих быть в зависимости от водяных каналов содержание воды в мембране, усредняя около 2 до 3 nm на RH 20% и увеличивая с эквилибрированной относительной влажностью. В результате, ионная проводимость быть в зависимости от Nafion уровень оводнения мембраны, и управления правильного оводнения PEM в отсеке топливного бака была возможностью в конструкции инженерства. Таким Образом, критически важно понять зависимость ионного свойства перехода PEM на своем положении оводнения.

Просматривая микроскопия зонда (SPM) прикладной для того чтобы изучить словотолкование, ионные дискретные структуры промежуточного состояния, и ионную проводимость мембран обменом протона [3, 4]. По Мере Того Как теоретическая модель предлагает [2], поверхность Nafion состоит из гидродобных зон (соответствие к костяку полимера) и гидрофильных зон (соответствие к собственн-организованным ионным бортовым группам).

Определять эти различные группы на поверхности PEM трудная задача. Были сделаны Попытки различить гидродобные места от гидрофильных мест через воображение участка используя режим AFM AC [3]. Однако, сигнал участка в быть в зависимости от AFM режима AC общее усилие взаимодействия между подсказкой AFM и поверхностью образца, поэтому идентификацией ионных групп основанных на изображении участка смог быть неоднозначн в некоторые случаи. С другой стороны, потому что ионные группы могут показать различное количество обязанности сравненное к гидродобной зоне полимера, просматривать микроскопию усилия Кельвина можно использовать сразу для того чтобы измерить поверхностное потенциальное изменение на мембране Nafion. В результате, распределение ионных групп на поверхности мембраны можно определить от изображения KFM.

Среди различных экспириментально методов микроскопии зонда скеннирования, настоящ-воспринимать AFM, также известный как дирижировать AFM, в частности полезн для изучать процесс перехода протонов в мембранах обменом протона [4]. В CS-AFM, Pt-Покрынная дирижируя подсказка использована. В экспириментально настроении как то проиллюстрированное в Диаграмме 2, Pt-Покрынная подсказка AFM служит как верхний электрод. PEM под изучением прослоен между подсказкой и нижним поддерживая электродом, формируя локализованный миниатюрный отсек топливного бака.

Диаграмма 2. изучение CS-AFM проводимости иона PEM. Конфигурация Pt tip/PEM/Pt/Z формирует миниатюрный отсек топливного бака в этом настроении.

Когда положительное смещение прикладной к подсказке AFM, H+ будет произведен на верхнем электроде следующей реакцией:

HO2 ½ → O2 + 2H+ + 2e-

Протоны после этого пропустят PEM через существуя «водяные каналы» и перекомбинируют с электронами на нижнем электроде:

2H+ + 2e- → H2

Поэтому, путем измерять настоящий пропускать через подсказку AFM пока просматривающ над поверхностью PEM на постоянной силе, местное распределение «активных» каналов кондукции и зависимость ионной проводимости на уровне оводнения можно получить количественно.

Методы и Измерительное Оборудование

Nafion 115 и Nafion 212 (закупленное от CleanFuelCell, Inc.) использованы для экспериментов. Эти мембраны горячие отжатые на электрод Pt/C. Электрод Pt/C сделан из депозированных фильмов Pt на ткани углерода. Малая, квадратная часть мембраны/образца электрода прикреплена к субстрату металла путем клеить углы при проводная серебряная краска, выходя достаточный космос на центре для воздушного потока. Электрод Pt/C после этого электрически соединен к микроскопу для воображения KFM или CS-AFM.

Agilent 5500 AFM оборудованное с камерой PicoAPEX относящой к окружающей среде, регулятором Режима III MAC, и 90µm универсальным блоком развертки использовано здесь. Камера PicoAPEX обеспечивает локализованную окружающую среду для образца без влияния деятельности блока развертки и контролируя электроники. Эксперименты унесены на 24°C с контролируемым уровнем относительной влажности. Управление Влажности осуществляно путем класть beaker с водой в камеру PicoAPEX и продувать сухой воздух через камеру. Путем контролировать тариф сухого воздушного потока, постоянн уровень влажности поддержан во время эксперимента.

Измерение KFM

В этих экспериментах, измерение KFM сделано через подход к один прохода с регулятором Режима III MAC Agilent, который имеет разъем 3, независимым замк-в усилителях. Во Время измерения KFM, 2 замк-в усилителях от регулятора Режима III MAC обычно использованы одновременно, с первым замк-в усилителе отслеживая механически колебание cantilever для воображения топографии и второе замк-в усилителе отслеживая электрическую модуляцию для измерения силы электростатического поля. Подсказки используемые для измерения KFM подсказки Pt/Ti-coated Si (NSC-14 от MikroMash) с коэффициентом упругой связи ~5 N/m.

Принцип измерения KFM и детальной экспириментально процедуры можно найти внутри [5]. Когда проводная подсказка пристрастна на напряжении тока dc Udc против поверхности образца, и малая модуляция Usin acac (ωt) прикладной к подсказке одновременно, тогда полную силу электростатического поля испытанную подсказкой можно расширить в серию вкладов соответствие к основному и высшим гармоникам электрической модуляции:

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

Первая термина, Fdc , в Уровнении 1 компонент dc и не делает вклад для того чтобы отделать поверхность потенциальное измерение. Вторая термина, F (ω), соответствие к реакции собственной частоты к электрической модуляции, дается мимо

где φ = (Φsample - Φtip) /q разница в контактного потенциала (CPD) между образцом и подсказкой, которая определена как разница между рабочими функциями, Φsample и Φtip, разделил q, элементарным зарядом. От Уровнения 2, F (ω) = 0 когда Udc = φ (т.е., сила электростатического поля а когда прикладной потенциал dc на подсказке приравнивает CPD). В Виду Того Что Φtip вообще постоянн для известного металлического материала используемого для проводной подсказки, изменение Φ надsample поверхностью образца может быть измерено путем измерять CPD. В результате, CPD измеренный от эксперимента по KFM часто вызван поверхностным потенциалом образца. На практике, поверхностный потенциал измерено путем аннулировать компонент силы электростатического поля, F (ω), с контуром сервопривода который поставляет смещение dc к подсказке.

Третья термина, F (2ω), в Уровнении 1, соответствие к второй гармонической реакции к электрической модуляции, дается мимо

Поэтому, амплитуда второй гармонической реакции измеряет dC/dz, изменение емкости на некоторой высоте над поверхностью образца. Как в простом конденсаторе, емкость между 2 металлическими быть в зависимости от электродов диэлектрические свойства средств материалов. Следовательно, измеренное dC/dz обеспечивает информацию о изменении диэлектрика и свойства поляризации через образец отделывают поверхность.

Изображения топографии и поверхности потенциальные Nafion 212 полученного на RH 16% показаны в Диаграммах 3 (a) и (b), соответственно. Изображение топографии показывает что поверхность мембраны Nafion 212 имеет групп-как так же, как волокн-как материалы распространила над поверхностью. Поверхностное потенциальное изображение показывает что большая потенциальная разница, как высоко как ~300 mV, существует между своеобразнейшими зонами на поверхности Nafion. Зоны более высокого поверхностного потенциала соответствуют к группе и волокн-как структуры при плотность более положительной обязанности сравненная к зонам потенциала нижней поверхности. Возможно что зоны высок-потенциала связаны с гидродобными областями и зоны низк-потенциала связаны с гидрофильными ионными зонами. Должно к экранировать молекулами воды на поверхности, гидрофильные ионные зоны показывают один равномерный потенциал с меньше деталей основной структуры. Изображение емкости (dC/dz) полученное с поверхностным потенциальным изображением показано в Диаграмме 3 (c). Вообще, изображение dC/dz показывает более высокую амплитуду для зоны низк-потенциала и более низкую амплитуду для зоны высок-потенциала.

Диаграмма 3. Топография (a), поверхностный потенциал (b), и изображения емкости (c) Nafion 212 на RH 16%.

Влияние воды на поверхностном потенциале очевидно когда уровень влажности увеличен. Как показано в Диаграмме 4, на RH 37%, поверхностное потенциальное изображение Nafion 115 будет в большинстве равномерным за исключением некоторых определенных положений. Также показано в Диаграмме 4 изображение участка поверхности Nafion 115 собранной в тоже время. Изображение участка показывает характеристики на таких же положениях на поверхности как поверхностное потенциальное изображение. Однако, изображение участка показывает постоянн более высокий сигнал участка для структур, пока поверхностное потенциальное изображение дает напротив контраста для различных положений над структурами. Таким Образом, использование только сигнала участка определить ионные зоны на поверхности смогло быть недостаточно.

Диаграмма Участок 4. (a) и поверхностные потенциальные изображения (b) Nafion 115 на RH 37%.

Измерение CS-AFM

В этих экспериментах, измерение CS-AFM выполнено используя конус носа CS-AFM с предусилителем 1nA/V который измеряет настоящий пропускать через AFM. Проводные подсказки зонды Pt/Ti-coated Si (CSC-17 от MikroMash) с номинальной константой весны 0,15 N/m и объемной сопротивляемостью 0,01 до 0,05 Ω*cm. Прежде Чем каждое измеренияе сделано, образец и подсказка Nafion позволены установить в камере PicoAPEX на 2 до 3 часа для того чтобы препятствовать уровню влажности стабилизировать. Как иллюстрировано в Диаграммой 2, конфигурация Pt tip/PEM/Pt/C в настроении измерения CS-AFM существенно формирует миниатюрный отсек топливного бака и ионное поведение перехода мембраны обменом протона может быть изучено путем измерять дирижируя течение через подсказку AFM.

Топография и настоящее изображение на Nafion 212 на RH 50% показаны в Диаграмме 5. Настоящий профиль одиночной линии вдоль горизонтального направления также приведен в Диаграмме 5. Тщательном изучении изображения топографии и настоящее изображение показывает меньшюю корреляцию между измеренным течением и топографией. Это показывает что измеренное течение деиствительно связано при ион-проводные каналы существуя в мембране.

Диаграмма 5. Топография (a), течение (b), и настоящий профиль (c) на Nafion 212 на RH 50%.

Как поверхностное потенциальное изображение в Диаграмме 3 (b), настоящее изображение в Диаграмме 5 (b) также показывает группу и волокн-как структуры на поверхности которые имеют более низкую проводимость сравненную к остальноям поверхности. Более низкая проводимость этих волокн-как структуры предлагает что они соответствуют к гидродобной зоне полимера которая формирует костяк мембраны Nafion. Это заключение также последовательно с поверхностным потенциальным измерением. Однако, не похож на потенциальное измерение которое измеряет ионное место на поверхности, измерение CS-AFM обнаруживает проводное ионное течение только когда подсказка в контакте с каналом перехода иона который работает через мембрану (т.е., CS-AFM измеряет только «активный канал» в мембрану). Потому Что проводимость иона измерила с быть в зависимости от CS-AFM площадь контакта между подсказкой и поверхностью, важно поддерживать постоянную силу во время воображения.

В Виду Того Что подсказка используемая в этом эксперименте около 20 до 30 nm в размере и также из-за возможного существования мениска воды на интерфейсе подсказк-мембраны, невозможно точно выраженно определить индивидуальные каналы иона (каждое из несколько нанометров в размере основанном на модели «водяного канала» обсуженной более раньше). Даже если измерение CS-AFM неспособно разрешить индивидуальные каналы иона, оно тем не менее предлагает надежный метод для статистически анализировать распределение активных ионных групп на поверхности мембраны и их соединении с случайной ионной сетью [4]. От распределения, плотность каналов протона и електропроводимостьь одиночных каналов можно вывести.

На Диаграмму 6 показано распределение тока на Nafion 115 на RH 36% и RH 48%. Изменение в распределении тока 0Nс увеличением влажностью предлагает что по мере того как влажность увеличивает, образование новых активных ионных групп и расширение существующих активных ионных каналов может произойти. Увеличение в размере группы и образовании новых групп значительно увеличивает соединение между группами, и таким образом проводимость.

Диаграмма 6. Распределения тока на Nafion 115 на RH 36% (a) и RH 48% (b), соответственно.

Сводка

Мембраны Nafion используемые для изготавливания отсека топливного бака изучены используя KFM и CS-AFM под контролируемой влажностью. Изображения KFM показывают существование гидрофильных и гидродобных зон на поверхности мембраны, соответствие к ионным группам и костякам полимера. Измерение CS-AFM обеспечивает надежный анализ относительно распределения активных ионных каналов в мембрану, так же, как изменение проводимости иона как функция относительной влажности.

Справки

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

[2] K. Шмидт-Rohr, Q. Chen, «Параллельные цилиндрические nanochannels воды в мембранах отсека топливного бака Nafion,» Природа Mater. 7 (2008) 75-83.

[3] P.J. Джеймс, J.A. Elliott, T.J. McMaster, H.H. Воля, J.M. Ньютон, A.M.S. Elliotts, S. Hannaz, M.J. Миля, «Оводнение Nafion изучило разбрасывать AFM и Рентгеновского Снимка,» JMS 35 (2000) 5111-5119.

[4] X. Xie, O. Kwon, D. - M. Zhu, T. Van Nguyen, G. Lin, «Местное распределение зонда и кондукции мембран обменом протона,» J. Phys. Chem. B 111 (2007) 6134-6140.

[5] S. Magonov, J. Александр, «Выдвинуло атомную микроскопию усилия: исследуя измерения местных электрических свойств,» примечание по применению Технологий Agilent (2008).

О Технологиях Agilent

Аппаратуры нанотехнологии Технологий Agilent препятствуют вам изображение, манипулируют, и характеризуют большое разнообразие nanoscale поведени-электрическое, химическое, биологическое, молекулярное, и атомное. Наше растущее собрание аппаратур, вспомогательного оборудования, ПО, обслуживаний и потребляемых веществ нанотехнологии может показать ключи вам нужно понять мир nanoscale.

Технологии Agilent предлагают широкий диапазон высокоточных атомных микроскопов усилия (AFM) для того чтобы отвечать ваши уникально потребностямы исследования. Аппаратуры Agilent сильно конфигурируемые позволяют вам расширить возможности системы по мере того как ваши потребности происходят. Системы температуры Agilent ведущие в отрасли относящие к окружающей среде и жидкий регулировать включают главную жидкость и мягкое воображение материалов. Применения включают материальную науку, электрохимию, полимер и применения наук о жизни.

Источник: Технологии Agilent

Для больше информации на этом источнике пожалуйста посетите Технологии Agilent

Date Added: Jun 15, 2011 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 07:17

Ask A Question

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

Leave your feedback
Submit