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扫描电子显微镜

Scanning Electron Microscope

 
 
 
 
 

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扫描电镜-3D重构固体氧化物燃料电池SOFC  

2011-05-02 21:51:20|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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编译:-驰奔

摘要:
       在提高能源效率和减少空气污染的驱使下,导致燃料电池在全世界范围内加速发展。随着燃料电池的性能和成本改善,其组成的材料在成分和微观结构方面已经变得越来越精细。尤其,最先进的燃料电池具有复杂的微纳米结构特色,涉及导电相、多孔气相和催化活化表面的电子离子地相互联系。确定这个显微结构是一个关键,但在关联材料属性或者材料加工和电极性能之间的显微结构通常漏掉。目前显微结构分析方法,诸如扫描电镜(SEM,实质只提供二维显微结构,因此在三维空间区域的显微结构相互关联信息被限制。这里我们展示双束聚焦离子束扫描电镜(FIB-SEM)用于形成固体氧化物燃料电池完全3D重构。我们使用这些数据来计算关键的显微结构特征,例如,体积分数、特殊相的表面面积(立体曲面面积)、三相边界长度、次生相的连通性和曲折性。
结果:
      案例:Ni-yttria-stabilized zirconia 组成的阳极,是阳极支撑SOFC的典型结构,其显微结构和性能在3D显微结构网络中具有典型的问题。电池组成:在thick NiO-YSZ 阳极支撑上撒一薄层yttria-stabilized zirconia (YSZ)电解质, La0.8Sr0.2MnO3 and YSZ. 复合材料阴极,powder sources, and processing conditions 控制系统。在3D重构之前,用传统方式测试。在测试开始时,阳极中的NiO曝光在氢气中还原为Ni 金属。电池的电学测试在600-800摄氏度下进行,在800摄氏度时最大功率密度≈ 1.2 W/cm2 。这时候的显微结构是最先进的Ni-YSZ SOFC阳极最具代表性的。
       3D显微结构重建的第一步是获取体积信息,从中可以提供3D信息。双束聚焦离子束扫描电镜(FIB-SEM)的应用,通过提供高质量的空间体积信息数据,已经大大的促进SOFC的发展进程。FIB-SEM首先用FIB磨削一个沟槽,如图1所示,对沟槽表面用SEM成像,然后用FIB移除50nm薄层,然后再用SEM成像,这个过程重复直到产生一系列连贯的SEM图像。

扫描电镜-固体氧化物燃料电池SOFC - 驰奔 - ---DEMA 驰奔---

 图一:阳极扫描电镜三维重构是由二维扫描电镜图像在三维空间的堆积而获得的

Figure 2 shows a portion of the resulting 3D reconstruction showing the Ni (green), YSZ (transparent), and pore phases (blue).

 扫描电镜-固体氧化物燃料电池SOFC - 驰奔 - ---DEMA 驰奔---
图 2: Three-Dimensional Reconstruction of the SOFC showing the Ni (green), YSZ (transparent), and pore (blue) phases.

3D重构的一个重要应用是定量的关连显微结构和电化学性能。三相界面长度被广泛认为是一个主要的电极结构参数。
For a SOFC anode, this concept can be understood by considering the electrochemical reaction of H2 with an oxygen ion O2- to produce the product H2O: H2(gas) + O2-(YSZ) → H2O(gas) + 2e-(Ni)

      这个反应包括气相、自由电子(in Ni)、和氧离子(In the YSZ相),被预期与三相界面的长度相关。图三显示一个通过3D图像分析获得的三相边界长度空间坐标图形。虽然三相边界长度事先通过SEM二维图像估算,但明确的数量是 4280000m/cm3.

 扫描电镜-固体氧化物燃料电池SOFC - 驰奔 - ---DEMA 驰奔---

图3: 3D map of the three-phase boundaries in the anode. Each color represents a connected TPB.

Voorhees Research Group - Northwestern University

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