Använda KFM och CS-AFM med Miljö- Kontrollera Tankar in CellForskning

Vid Shijie Wu och Da-Ming Zhu

Täckte Ämnen

Inledning
Tanka CellGrunderna
Nafion Strukturerar
Metoder och Instrumentation
KFM-Mätning
CS--AFMMätning
Summariskt
Hänvisar till
Om Agilent Teknologier

Inledning

Denna artikel illustrerar det experimentellt ställer in för Kelvin styrkamicroscopy (KFM) och ström-avkänning av atom- styrkamicroscopy (CS-AFM) som avbildar under kontrollerad fuktighet genom att använda ett Agilent 5500 AFM system. Resultaten från studien av ett membran för protonutbyte genom att använda KFM och CS-AFM under kontrollerad fuktighet framläggas också här. Dessa resultat visar att KFM och CS-AFM är kraftiga bearbetar för att studera ytbehandlarekvisitan och den ionic conductivityen av membran för protonutbytet som in används tankar cellteknologi.

Tanka CellGrunderna

Tanka celler är bland de nyckel- teknologierna som erbjuder ren energi med högre omvandlingseffektivitet. Tanka celler är van vid driver många elektriska applikationer - från bärbara apparater till bilar och flottaskyttlar. Emellertid ha som huvudämne två utmaningar återstår på banan till den fulla commercializationen av tankar cellteknologi: (1) blir att förminska kosta så den economically konkurrenskraftigt med existerande driver teknologier och (2) till förhöjning hållbarheten och livstiden av tankacellsystemen. Därför har forskare fokuserat deras försök på framkallning och att karakterisera av material som kunde hjälpa, i att möta dessa krav.

Ettmembran tankar cellen är det mest lova systemet för ljus-arbetsuppgift trans. och bärbara elektroniska apparater. I detta system skjutas in ett membran för proton (PEM)utbyte, också som är bekant som ett polymerelectrolytemembran, mellan två elektroder. PEMEN låter endast H+ passera igenom för att avsluta gå runt för strömflöde. Därför alla leker den mekaniska och termiska rekvisitan såväl som den ionic conductivityen av PEMEN en livsviktig roll i kapaciteten av tankacellen. En PEM som används brett i fast-membran, tankar celler är Nafion, en perfluorinated polymer som sammanslutningar en hydrophobic Teflon-Något liknande ryggrad med den hydrophilic ionic sidan grupperar.

Nafion Strukturerar

Även Om strukturera av Nafion har dragit uppmärksamhet från många forskare, specificerad föreställer är svår att erhålla, därför att den ändrar med förhållandet av de två delarna. Ett nytt modellerar baserat liten-metar på röntgenstrålespridningexperiment föreslår att det Nafion membranet består av ”bevattnar kanaliserar” bildat av de hydrophilic sulfonic grupperna som stöttas av de hydrophobic polymerryggraderna och Nafion crystallitesna [2]. Det kemiskt strukturerar av det Nafion membranet, och ”bevattna kanaliserar” modellerar illustreras in Figurerar 1.

Figurera 1. Kemiskt strukturera, och ”bevattna kanaliserar” modellerar av det Nafion membranet. Images anpassade från offentligt område med bemyndigande från författare [1].

”Bevattna kanaliserar” ger passerar för lika protons för lilla cations, stunder som stoppar anions och elektroner. Diametern av dessa bevattnar kanaliserar beror på bevattna som är nöjd i membranet som i genomsnitt uppgå till omkring 2 till 3 nm på 20% RH och ökande med den hålla i jämvikt släktingfuktigheten. Som ett resultat beror den ionic conductivityen av Nafion på hydrationen som är jämn av membranet, och kontrollera av riktig hydration av PEMEN i en tankacell har blivit en utmaning, i att iscensätta design. Således är det kritiskt viktigt att förstå beroendet av den ionic transportegenskapen av en PEM på dess statliga hydration.

Avläsande sondmicroscopy (SPM) har applicerats till studien morfologin, strukturerar det ionic området, och den ionic conductivityen av membran för protonutbytet [3, 4]. Som det teoretiskt modellerar föreslår [2], Nafionen ytbehandlar består av hydrophobic regioner (som motsvarar till polymerryggraden) och hydrophilic regioner (som motsvarar till deorganiserade ionic sidogrupperna).

Identifiera dessa olika grupper på en PEM ytbehandla är en svår uppgift. Försök har gjorts att skilja de hydrophobic platserna från de hydrophilic platserna via arrangerar gradvis att avbilda genom att använda AC-funktionsläget AFM [3]. Emellertid, signalerar arrangera gradvis i AC-funktionsläget AFM beror på den total- växelverkanstyrkan mellan AFM-spetsen och ta prov ytbehandla, så ID av ionic samla i en klunga baserat på arrangera gradvis avbildar kunde vara tvetydigt i vissa fall. Å andra sidan därför att det ionic samla i en klunga, ställa ut olika belopp av laddning som jämförs till den hydrophobic polymerregionen, kan, när du avläser Kelvin styrkamicroscopy, kan vara van vid mäter direkt den potentiella variationen för ytbehandla på det Nafion membranet. Som ett resultat samla i en klunga fördelningen av det ionic på membranet ytbehandlar kan identifieras från KFMEN avbildar.

Bland de olika experimentella teknikerna av scanningsondmicroscopy är ström-avkänning av AFM, också som är bekant som att föra AFM, bestämt användbar för att studera transporten som är processaa av protons i membran för protonutbytet [4]. I CS-AFM används enTäckt föra spets. I ett experimentellt ställa in liksom det som in illustreras, Figurerar 2, deTäckte AFM-spetsservarna som den bästa elektroden. PEMEN under studie skjutas in mellan spetsen och den nedersta understödja elektroden som bildar en lokaliserad miniatyr, tanka cellen.

Figurera 2. CS--AFMstudie av jonconductivity av PEM. Konfigurationen för Halv Liter tip/PEM/Pt/Z bildar en miniatyr tankar cellen i denna ställer in.

När en realitetsnedhet appliceras till AFM-spetsen, ska+ H är den frambragda upptill elektroden vid efter reaktionen:

HO2 →½Nolla2 + 2H+ + 2e-

Protonsna som därefter ska, passerar PEMEN till och med existerande ”bevattnar kanaliserar” och recombine med den längst ner elektroden för elektroner:

H+ för → 2H- + 2e2

Därför genom att mäta strömmen som flödar till och med AFM-spetsstunderna som avläser över PEMEN, ytbehandla på konstant styrka, kanaliserar lokalfördelningen av ”aktiv” ledning, och beroendet av ionic conductivity på jämn hydration kan erhållas quantitatively.

Metoder och Instrumentation

Nafion 115 och Nafion 212 (som inhandlas från CleanFuelCell, Inc.) används för experimenten. Dessa membran är varmt pressande på en Pt-/Celektrod. Pt-/Celektroden göras av Halv Liter filmar deponerat på koltorkduken. Ett litet, kvadrerar lappar av membranet/elektroden tar prov fästas till en belägga med metallsubstrate, genom att limma, tränga någon med ledande försilvrar målar och att lämna nog utrymme på centrera för airflow. Pt-/Celektroden därefter förbinds elektriskt till mikroskopet för att avbilda för KFM eller för CS-AFM.

En Agilent 5500 AFM som utrustas med PicoAPEX en miljö- kammare, en kontrollant för MAC-Funktionsläge III och en bildläsare 90µm som kan användas till mycket, används här. Den PicoAPEX kammaren ger en lokaliserad miljö för ta prov, utan att påverka funktionen av bildläsaren och den kontrollera elektroniken. Experiment bärs ut på 24°C med kontrollerad en jämn släktingfuktighet. Fuktighet kontrollerar realiseras, genom att sätta en dryckeskärl med, bevattnar i den PicoAPEX kammaren, och att rena som är torrt, luftar till och med kammaren. Genom att kontrollera klassa av den torra airflowen, underhålls en jämn konstant fuktighet under experiment.

KFM-Mätning

I dessa experiment göras KFM-mätningen via enpassera att närma sig med en kontrollant för Agilent MAC-Funktionsläge III, som har built-in tre, vilden låsa-i förstärkare. Under KFM-mätning används två låsa-i förstärkare från kontrollanten för MAC-Funktionsläge III vanligt samtidigt, med första låsa-i förstärkaren som spårar den mekaniska svängningen av cantileveren för att avbilda för topografi och understödja låsa-i förstärkaren som spårar den elektriska moduleringen för elektrostatisk styrkamätning. Spetsarna som används för KFM-mätning, är spetsar för Pt/Ti-coated Si (NSC-14 från MikroMash) med en styrkakonstant av ~5 N/m.

Principen av KFM-mätningen och ett specificerat experimentellt tillvägagångssätt kan finnas in [5]. Ytbehandla, När en ledande spets är tendentiös på en dc-dc spänning U mot ta prov, och en liten ac-modulering Usinac (ωt) appliceras till spetsen samtidigt, då den sammanlagda elektrostatiska styrkan som erfaras av spetsen, kan utvidgas in i en serie av bidrag som motsvarar till den grundläggande och högre harmoniläran av den elektriska moduleringen:

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

Första benämner, Fdc , i Likställande 1 är gör en del- dc och inte ett bidrag för att ytbehandla potentiell mätning. Understödja benämner, F (ω) som motsvarar till grundfrekvenssvaret till den elektriska moduleringen, ger sig by

var φ = (Φsample - Φtip) /q är den potentiella skillnaden för kontakten (CPD) mellan ta prov och spetsen, som definieras, som skillnaden mellan arbetet fungerar, Φsample och Φ somtip delas av q, den elementära laddningen. Från Likställande 2, F (ω) = 0 när Udc = φ (dvs., den elektrostatiska styrkan nullifieds, när den applicerade dcen som är potentiell på spetsen, likställer CPDEN). Sedan Φ ärtip allmänt konstant för ett bekant metalliskt materiellt som används för den ledande spetsen, ytbehandlar variationen av Φsample över ta prov kan mätas, genom att mäta CPDEN. Som ett resultat kallas CPDEN som mätas från ett KFM-experiment, ofta ytbehandla som är potentiell av ta prov. I praktiken mätas den potentiella ytbehandla, vid nullifying av den del- elektrostatiska styrkan, F (ω), med enkretsa som levererar en dc-offset till spetsen.

Thirden benämner, F (2ω), i Likställande 1 som motsvarar till det harmoniska svaret för understödja till den elektriska moduleringen, ger sig by

Därför mäter amplituden av det harmoniska svaret för understödja dC/dz, kapacitensändringen på en bestämd höjd ovanför ta prov ytbehandlar. Som i en enkel kondensator, beror kapacitensen mellan två metalliska elektroder på den dielectric rekvisitan av medelmaterialen. Därför ger den mätte dCen/dz information om variationen av dielectricen, och polarizationrekvisitan över ta prov ytbehandlar.

Topografin och ytbehandlar potentiellt avbildar av Nafion 212 erhållande på 16% RH visas in Figurerar 3 (a) och (b), respektive. Topografin avbildar visar att ytbehandla av det Nafion 212 membranet har samla i en klunga-något liknande såväl som fiber-något liknande material som är spridda över ytbehandla. Den potentiella ytbehandla avbildar avslöjer att den stora potentiella skillnaden, som kick som ~300 millivolt, finns mellan de särskiljande områdena på Nafionen ytbehandlar. Områdena av higher ytbehandlar potentiellt motsvarar till klungan, och fiber-något liknande strukturerar med en mer realitetladdningstäthet som jämförs till områdena av lägre, ytbehandlar potentiellt. Det är möjligheten att depotentiella områdena är tillhörande med de hydrophobic områdena och depotentiella områdena är tillhörande med de hydrophilic ionic regionerna. Tack vare avskärma by bevattna molekylar på ytbehandla, den hydrophilic ionic regionshowen, en som enhetligt potentiellt med mindre specificerar av det bakomliggande strukturerar. Kapacitensen (dC/dz) avbildar erhållande med den potentiella ytbehandla avbildar visas in Figurerar 3 (c). I allmänhet avbildar fäller ned dCna/dz högre amplitud för shows för denpotentiella regionen och amplitud för denpotentiella regionen.

Figurera 3. Topografi (a), ytbehandlar potentiellt (b), och kapacitens (c) avbildar av Nafion 212 på 16% RH.

Verkställa av bevattnar ytbehandlar på potentiellt är tydlig, när den jämna fuktigheten ökas. Som visat in Figurera 4, på 37% RH, den potentiella ytbehandla avbildar av Nafion 115 blir i hög grad enhetligt bortsett från några särskilda lägen. Också visat in Figurera 4 är arrangera gradvis avbildar av Nafionen 115 ytbehandlar samlat samtidigt. Arrangera gradvis avbildar avslöjer särdrag på de samma lägena på ytbehandla, som den potentiella ytbehandla avbildar. Emellertid avbildar fördriver arrangera gradvis shows som konstant högre arrangerar gradvis signalerar för strukturerar, den potentiella ytbehandla avbildar ger motsatskontrast för olika lägen över strukturerar. Således genom att använda endast arrangera gradvis signalera för att bestämma ionic regioner på ytbehandla kunde vara otillräckligt.

Figurera 4. Arrangera Gradvis (a) och ytbehandla potentiellt (b) avbildar av Nafion 115 på 37% RH.

CS--AFMMätning

I dessa experiment utförs CS--AFMmätningen genom att använda en CS--AFMnäskotte med en förförstärkare 1nA/V som mäter strömmen som flödar till och med AFMEN. De ledande spetsarna är sonder för Pt/Ti-coated Si (CSC-17 från MikroMash) med en nominal fjädrar konstant av 0,15 N/m och en bulk resistivity av 0,01 till 0,05 Ω*cm. För varje mätning tas, tar prov Nafionen, och spetsen är tillåten att sätta i den PicoAPEX kammaren för att 2 till 3 timmar ska låta den jämna fuktigheten stabilisera. Som illustrerat in Figurera 2, ställer in konfigurationen för Halv Liter tip/PEM/Pt/C i en CS--AFMmätning bildar i grunden en miniatyr tankar cellen, och det ionic transportuppförandet av membranet för protonutbytet kan vara utstuderat, genom att mäta den föra strömmen till och med AFM-spetsen.

Topografin och strömmen avbildar för Nafion 212 på 50% RH visas in Figurerar 5. Strömmen profilerar av en singel fodrar längs horisontalriktningen framläggas också in Figurerar 5. Nära undersökning av topografin avbildar, och strömmen avbildar avslöjer lite korrelation mellan den mätte strömmen och topografin. Detta indikerar att den mätte strömmen är sannerligen tillhörande med detledande kanaliserar existerande i membranet.

Figurera 5. Topografi (a), ström (b) och strömmen profilerar (c) för Nafion 212 på 50% RH.

Gilla den potentiella ytbehandla avbildar Figurerar in 3 (b), strömmen avbildar Figurerar in 5 (b) avslöjer också klungan, och fiber-något liknande strukturerar på ytbehandla som har en lägre conductivity som jämförs till vila av ytbehandla. Den lägre conductivityen av som dessa strukturerar fiber-något liknande föreslår att de motsvarar till den hydrophobic polymerregionen som bildar ryggraden av det Nafion membranet. Denna avslutning är också jämn med den potentiella mätningen för ytbehandla. Emellertid i motsats till den potentiella mätningen, som mäter den ionic platsen på ytbehandla, avkänner CS--AFMmätningen en ledande ionic ström, när endast spetsen är i kontakt med en jontransport kanaliserar att körningar till och med membranet (dvs., CS-AFM mäter endast ”aktivet kanaliserar” i membranet). Därför Att jonconductivityen som mätas med CS-AFM, beror på kontaktområdet mellan spetsen och ytbehandla, är det viktigt att underhålla konstant styrka under att avbilda.

På grund av möjlighetexistensen av bevattna också menisken på spets-membranet har kontakt, det är omöjligt otvetydigt att identifiera individen Sedan spetsen som används i detta experiment, är omkring 20 till 30 som nm storleksanpassar in och, jonen kanaliserar (varje av som är flera nanometers storleksanpassar in baserat på ”bevattnar kanaliserar” modellerar diskuterat tidigare). Även om CS--AFMmätningen är oförmögen att lösa individen som jonen kanaliserar, erbjuder den icke desto mindre en pålitlig metod för statistiskt att analysera fördelningen av den ionic aktivet samla i en klunga på ett membran ytbehandlar och, deras anslutning med det slumpmässiga ionic knyter kontakt [4]. Från fördelningen kanaliserar tätheten av protonen, och conductancen av singeln kanaliserar kan härledas.

Figurera 6 shows strömfördelningen för Nafion 115 på 36% RH och 48% RH. Ändringen i strömfördelning med ökande fuktighet föreslår att som fuktighetsförhöjningar, ionic bildande av den nya aktivet samla i en klunga och utvidgning av den ionic existerande aktivet kanaliserar kan uppstå. Förhöjningen samla i en klunga in storleksanpassar, och bildandet av nytt samla i en klunga markant förhöjningar som sammankopplingen between samla i en klunga och thus conductivity.

Figurera 6. Strömfördelningor för Nafion 115 på 36% RH (a) och 48% RH (b), respektive.

Summariskt

Nafion membran som används för, tankar den fabriks- cellen är utstuderade användande KFM och CS-AFM under kontrollerad fuktighet. KFM avbildar show existensen av hydrophilic, och hydrophobic regioner på membranet ytbehandlar och att motsvara till det ionic samla i en klunga och polymerryggraderna. CS--AFMmätningen ger pålitlig analys angående den ionic fördelningen av aktivet kanaliserar i membranet såväl som ändringen av jonconductivity som en fungera av släktingfuktighet.

Hänvisar till

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

[2] K. bevattnar Schmidt-Rohr, Q. Chen, ”Parallellt cylindriskt nanochannels i den Nafion tanka-cellen membran,” Naturen 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, ”Hydration av Nafion som är utstuderad vid AFM och, Röntgar spridning,” JMS 35 (2000) 5111-5119.

[4] X. Xie, O. Kwon, D. - M. Zhu, T. Skåpbil Nguyen, G. Lin, ”Lokalsond- och ledningsfördelning av membran för protonutbyte,” J. Phys. Chem. B 111 (2007) 6134-6140.

[5] S. Magonov, J. Alexander, ”Avancerad atom- styrkamicroscopy: undersökande mätningar av elektrisk rekvisita för lokalen,” den Agilent Teknologiapplikationen noterar (2008).

Om Agilent Teknologier

Agilent Teknologier som nanotechnology instrumenterar, l5At dig avbilda, behandla och karakterisera en bred variation av nanoscale som uppförande-var elektrisk som var kemisk som var biologisk som var molekylär och som var atom-. Vår växande samling av nanotechnology instrumenterar, tillbehör, programvara, servar, och förbrukningsmaterialer kan avslöja ledtrådar som du behöver att förstå nanoscalevärlden.

Agilent Teknologier erbjuder att en lång räcka av kick-precision atom- styrkamikroskop (AFM) ska möta dina unika forskningbehov. Högt configurable Agilents instrumenterar låter dig utvidga systemets kapaciteter, som dina behov uppstår. Agilents möjliggör bransch-ledande miljötemperatursystem och fluid bruk överlägsen flytande och mjukt avbilda för material. Applikationer inkluderar materiell vetenskap, electrochemistry, polymern och vetenskaperna om olika organismers beskaffenhetapplikationer.

Källa: Agilent Teknologier

För mer information på denna källa behaga besökAgilent Teknologier

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

Last Update: 14. June 2013 07:23

Ask A Question

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

Leave your feedback
Submit