Characterization of adsorbed water layers on Y2O3-doped ZrO2

Raz, S.; Sasaki, Kazunari; Maier, Joachim; Riess, I.

doi:10.1016/s0167-2738(01)00826-8

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“…A plot of log(R LFA )versuslog(P O2 ) was generated for the various gas conditions in order to determine the exponent m. Table 2 provides the m values determined for the sensors with a PSZ, FSZ, and 50 PSZ-50 FSZ electrolyte. Dissociative adsorption is the rate-limiting mechanism commonly associated with at P O2 dependence where m ¼ 0.5 [11,16]. The data in the table indicated under dry gas conditions m ≈ À0.5 for the PSZ-based sensors, which suggested dissociative adsorption was rate-limiting.…”

Section: Rate Limiting Mechanisms and Activation Energiesmentioning

confidence: 86%

“…The change in the impedance due to water cross-sensitivity is shown for sensors composed of PSZ, FSZ, and 50 PSZ-50 FSZ in Figure 3a-c. In other studies, analysis of water adsorption experiments at oxide surfaces have found that molecular water strongly adsorbs onto the surface of Y 2 O 3 and surface reactions result in the formation of hydroxyl groups [10,11]. Furthermore, computational studies indicate dissociation of water molecules is a mechanism for the formation of hydroxyl species at Y 2 O 3 -ZrO 2 surfaces; and, interfacial reactions between the oxide and hydroxyl groups can enhance oxygen ion conductivity [12].…”

Section: Electrochemical Responsementioning

confidence: 96%

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Managing H2O Cross‐Sensitivity Using Composite Electrolyte NOx Sensors

Murray¹,

Kharashi²,

Adedeji³

2017

Electrochemical Sensors Technology

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NO x sensors composed of partially stabilized zirconia (PSZ), fully stabilized zirconia (FSZ), and PSZ-FSZ composite electrolytes were investigated using impedance spectroscopy under dry and humidified gas conditions. The impedance data were used to interpret the electrochemical behavior of the various sensors as the water concentration in the gas stream varied. The sensors were operated in the presence of 0-100 ppm NO with 1-18% O 2 and 3-10% H 2 O with N 2 as the balance gas. The operating temperature of the sensors ranged from 600 to 700 C. The impedance response for sensors containing ≥ 50 vol% PSZ slightly decreased under humidified gas conditions, in comparison to dry gas conditions; whereas, a significant increase in impedance occurred for sensor largely containing FSZ. This indicated water cross-sensitivity was substantial at FSZbased sensors. The microstructural properties, NO x sensitivity, oxygen partial pressure and temperature dependence, as well as the response time of the sensors composed of the various electrolytes were characterized in order to interpret the electrochemical response with respect to water cross-sensitivity. Analysis of the data indicated that sensors composed of a PSZ-FSZ composite electrolyte with 50 vol% PSZ were more suitable for detecting NO x while limiting water cross-sensitivity.

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Section: Rate Limiting Mechanisms and Activation Energiesmentioning

confidence: 86%

Section: Electrochemical Responsementioning

confidence: 96%

Managing H2O Cross‐Sensitivity Using Composite Electrolyte NOx Sensors

Murray¹,

Kharashi²,

Adedeji³

2017

Electrochemical Sensors Technology

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“…Zirconia is typically exposed to the water-rich pre-treatment and/or reaction conditions, where adsorption of water on the surfaces of the crystallites may affect their structure [19,33] and stability [41,18] and even alter the properties of the surface sites. [20,44] In particular, zirconia has been extensively studied as a support and a catalyst in reforming processes, [13,12,14,10,9] where the water-gas shift cycle and the formate formation from CO and water are the key steps.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Understanding Structure and Stability of Monoclinic Zirconia Surfaces from First-Principles Calculations

Bazhenov

Honkala

2016

Top Catal

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Under the water-rich pre-treatment and/or reaction conditions, structure and chemistry of the monoclinic zirconia surfaces are strongly influenced by oxygen vacancies and incorporated water. Here, we report a combined first-principles and atomistic thermodynamics study on the structure and stability of selected surfaces of the monoclinic zirconia. Our results indicate that among the studied surfaces, the most stable (111) surface is the least vulnerable towards oxygen vacancies in contrast to the less stable (011) and (101) surfaces, where formation of oxygen vacancies is energetically more favorable. Furthermore, we present a vigorous, systematic screening of water incorporation onto the studied surfaces. We observe that the greatest stabilization of the surfaces is achieved when a part of the adsorbed water molecules is dissociated. Nevertheless, the importance of water dissociation for achieving the greatest stabilization is high for the less stable (011) and (101) surfaces, while completely hydrated (111) surface is stabilized equally regardless of the water dissociation state. Analysis of the constructed phase diagrams reveals that the (111) surface remains preferably clean and the (011) and (101) surfaces have dissociated water at low coverage under the reactive conditions of T = 600-900 K and p(H 2 O) < 1 bar. Upon temperature decrease and/or pressure increase, all studied surfaces gradually uptake water until fully hydrated. All in all, our findings complement and broaden the existing picture of the structure and stability of the monoclinic zirconia surfaces under the pre-treatment and/or reaction conditions, enabling rationalization of the potential roles of zirconia as a heterogeneous support and a catalyst component.

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“…Devido à alta estabilidade térmica, a condutividade protônica de óxidos exibe uma dependência tipo Arrhenius até altas temperaturas (~ 150 °C) [47], que pode promover a melhora das propriedades de condução do Nafion em temperaturas superiores à da relaxação α (T α ~ 110 °C) -a partir da qual a desestabilização da fase condutora do ionômero provoca a redução da sua condutividade protônica [16,23].…”

Section: Eletrólitos Compósitosunclassified

“…47 Na Figura 3.5 o comportamento térmico da relaxação β" para o N105 está em acordo com esta hipótese; o deslocamento da relaxação β" para menores frequências inicia em menores T (~ 70 °C) e, em contraste ao N115, o fim desse deslocamento pode ser observado (~ 140 °C) no intervalo de T medido. A identificação de uma temperatura inicial e final do deslocamento da relaxação β" para menores frequências sugere uma transição ocorrendo neste intervalo de temperatura.…”

unclassified

Relação morfologia-propriedades elétricas de eletrólitos compósitos de Nafion para célula a combustível de alta temperatura

Matos¹

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Ao meu amigo N. T. Pham pelo auxílio nas realizações das medidas elétricas.Eu agradeço pelos comentários e contribuições a este trabalho aos membros da banca examinadora: Dr. E. R. Gonzalez, Dr. E. R. Leite, Dr. D. J. Carastan e Dr. R. Muccillo.À Capes e ao IPEN pelo apoio financeiro e recursos utilizados na execução deste trabalho.Eu agradeço aos meus pais e ao meu irmão pelo carinho e dedicação à minha formação; e pelo exemplo que sempre me serviu de base para a realização das minhas conquistas.Eu agradeço carinhosamente duas pessoas especiais: a Drika e o Ber; que me inspiram e me motivam sempre. Relação Morfologia-Propriedades Elétricas de Eletrólitos Compósitos deNafion para Célula a Combustível de Alta Temperatura RESUMO As células a combustível a etanol direto (DEFCs) são consideradas geradores de energia eficientes e de baixo impacto ambiental. O foco deste trabalho é avançar o entendimento sobre eletrólitos compósitos híbridos do tipo Nafion-cerâmica visando o aumento do desempenho das DEFCs operando em T ~ 130 °C. Partículas inorgânicas foram crescidas na matriz polimérica formando os compósitos Nafion-Sílica (NS), Nafion-Fosfato de Zircônio (NZ) e Nafion-Titânia (NT). Este último (NT) serviu como material precursor para a conversão in situ da titânia em nanotubos de titanato de hidrogênio por uma rota hidrotérmica alcalina assistida por micro-ondas (NNTH). A relação microestruturapropriedades elétricas foi estudada por meio de medidas de espectroscopia dielétrica, análise dinâmico-mecânica, calorimetria diferencial exploratória e espalhamento de raios X em baixo ângulo. Estas técnicas contribuíram, por exemplo, para inferir a localização das partículas inorgânicas na estrutura multifásica do Nafion e estabelecer a sua influência nas propriedades gerais dos compósitos. Os resultados indicaram que as interações de repulsão eletrostática de longo alcance entre os grupos sulfônicos do Nafion hidratado provocam a transição conformacional das cadeias principais do estado enovelado para a conformação tipo bastão. Tal transição promove a redução da condutividade protônica e da estabilidade mecânica do Nafion para temperaturas acima da temperatura da relaxação α (T α ~ 110 °C), a qual pode ser deslocada para maiores temperaturas (T > 160 °C) nos compósitos híbridos.A interação das partículas de sílica e de titânia com a fase condutora do Nafion é maximizada, enquanto que as partículas de fosfato de zircônio estão localizadas majoritariamente nos domínios apolares. As interações entre os grupos sulfônicos do Nafion e as partículas de titânia contribuíram para a melhora das propriedades mecânicas em altas temperaturas e para a redução da permeabilidade ao etanol, as quais promoveram o aumento do desempenho da DEFC em altas temperaturas. A baixa permeabilidade ao etanol e as melhores propriedades termomecânicas e de transporte protônico dos compósitos NNTH refletiram em um elevado desempenho das DEFCs a 130 °C, evidenciando que estes eletrólitos compósitos são promissores para a aplicação pretendida. Morpholog...

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Characterization of adsorbed water layers on Y2O3-doped ZrO2

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Managing H2O Cross‐Sensitivity Using Composite Electrolyte NOx Sensors

Managing H2O Cross‐Sensitivity Using Composite Electrolyte NOx Sensors

Understanding Structure and Stability of Monoclinic Zirconia Surfaces from First-Principles Calculations

Relação morfologia-propriedades elétricas de eletrólitos compósitos de Nafion para célula a combustível de alta temperatura

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