Trojfázová hranice - Triple phase boundary - Wikipedia

A trojitá fázová hranice (TPB) je geometrická třída fázová hranice a místo kontaktu mezi třemi různými fáze. Jednoduchým příkladem TPB je a pobřežní čára kde se země, vzduch a moře setkávají, aby vytvořily energetické místo poháněné solární, větrnou a vlnovou energií schopné podporovat vysokou úroveň biodiverzity. Tento koncept je zvláště důležitý v popisu elektrody v palivové články a baterie. Například pro palivové články jsou tři fáze ion vodič (elektrolyt ), an elektron dirigent a virtuální fáze „pórovitosti“ pro přepravu plynných nebo kapalných látek palivo molekuly. Elektrochemické reakce, které palivové články používají k výrobě elektřiny, probíhají v přítomnosti těchto tří fází. Trojfázové hranice jsou tedy elektrochemicky aktivní místa v elektrodách.

Reakce redukce kyslíku, ke které dochází při a palivové články z pevných oxidů (SOFC) katoda, lze zapsat takto:

Ó
2(plyn) + 4E−(elektroda) → 2Ó2−
(elektrolyt)

Různé mechanismy přivádějí tyto reaktanty k TPB k provedení této reakce.[1] Kinetika této reakce je jedním z omezujících faktorů ve výkonu buněk, takže zvýšení hustoty TPB zvýší rychlost reakce, a tím zvýšit výkon buněk.[2] Analogicky bude hustota TPB také ovlivňovat kinetiku oxidační reakce, ke které dochází mezi ionty kyslíku a palivem na anodové straně článku. Transport do a z každého TPB také ovlivní kinetiku, proto je důležitým faktorem také optimalizace cest k získání reaktantů a produktů do aktivní oblasti. Vědci pracující s palivovými články stále častěji používají 3D zobrazovací techniky FIB-SEM a rentgen nanotomogrpahy měřit hustotu TPB jako způsob charakterizace buněčné aktivity.[3][4] Nedávno se ukázalo, že techniky zpracování, jako je infiltrace, podstatně zvyšují hustotu TPB, což vede k vyšší účinnosti a potenciálně komerčně životaschopnějším SOFC.[5]

Jednotky

V systémech sestávajících pouze ze tří fází jsou hranice tří fází geometricky uzavřenými smyčkovými lineárními prvky, které neprotínají jiné TPB a netvoří síť. Nejjednodušší tvar TPB lze snadno vizualizovat pomocí dvou libovolně velkých protínajících se koulí různých fází zavěšených ve volném prostoru (viz obrázek 3)[6]), který vytváří kruhový TPB na průsečíku koulí. Avšak v elektrodách mají smyčky TPB obvykle velmi složité a stochastické tvary tři rozměry (3D). TPB tedy mají jednotky délky. Pro elektrody je důležitá normalizace délky TPB na hustotu TPB mikrostruktura parametr pro popis elektrody a tím i výkonu článku, který je nezávislý na rozměrech elektrody. Hustota TPB je obvykle objemová hustota a měří se v jednotkách inverzní čtvercové délky, obvykle μm−2 (tj. μm / μm3) vzhledem k rozsahu typických mikrostrukturních vlastností elektrod.

Aktivní TPB

Hranice tří fází jsou elektrochemicky aktivní, pouze pokud je každá „fáze“ spojena se zdroji a cíli reakčních druhů k dokončení elektrochemické reakce. Aktivní TPB se často označují jako prosakoval TPB. Například v SOFC Anodový cermet Ni-YSZ TPB musí:

  • Mít přístup k vodík z anoda přívod plynu a být schopen odvádět páru do výstupu anodového plynu přes síť fáze pórů
  • Mějte přístup k iontům kyslíku transportovaným z elektrolytické fázové sítě YSZ
  • Umět vést elektrony z TPB vedením elektronů nikl síť do anodového kolektoru proudu

Kromě zvýšení hustoty TPB je zjevně výhodné zvýšit poměr aktivní a celkové hustoty TPB ke zvýšení výkonu elektrody / článku.

Viz také

Reference

  1. ^ Fehribach, Joseph D .; O'Hayre, Ryan (leden 2009). „Třífázové hranice v katodách oxidu uhličitého“. SIAM Journal on Applied Mathematics. 70 (2): 510–530. doi:10.1137/080722667. ISSN  0036-1399.
  2. ^ O’Hayre, Ryan; Prinz, Fritz B. (2004). „Třífázová hranice vzduch / platina / nafion: charakteristika, měřítko a důsledky pro palivové články“. Journal of the Electrochemical Society. 151 (5): A756. doi:10.1149/1.1701868.
  3. ^ Vivet, N .; Chupin, S .; Estrade, E .; Richard, A .; Bonnamy, S .; Rochais, D .; Bruneton, E. (prosinec 2011). „Effect of Ni content in SOFC Ni-YSZ cermets: a trojrozměrná studie FIB-SEM tomografie“. Journal of Power Sources. 196 (23): 9989–9997. Bibcode:2011JPS ... 196,9989V. doi:10.1016 / j.jpowsour.2011.07.010.
  4. ^ Píseň, Bowen; Ruiz-Trejo, Enrique; Bertei, Antonio; Brandon, Nigel P. (leden 2018). „Kvantifikace degradace anod Ni-YSZ při redoxním cyklu“. Journal of Power Sources. 374: 61–68. Bibcode:2018JPS ... 374 ... 61S. doi:10.1016 / j.jpowsour.2017.11.024.
  5. ^ Song, B .; Ruiz-Trejo, E .; Brandon, N.P. (Srpen 2018). „Zvýšená mechanická stabilita lešení Ni-YSZ prokázaná nanoindentací a elektrochemickou impedanční spektroskopií“. Journal of Power Sources. 395: 205–211. Bibcode:2018JPS ... 395..205S. doi:10.1016 / j.jpowsour.2018.05.075.
  6. ^ Jørgensen, P.S .; Hansen, K.V .; Larsen, R .; Bowen, J. R. (2010-12-15). "Vysoce přesná charakterizace rozhraní třífázových materiálových systémů ve třech rozměrech". Journal of Power Sources. 195 (24): 8168–8176. Bibcode:2010JPS ... 195.8168J. doi:10.1016 / j.jpowsour.2010.06.083.