Adsorption Calorimetry for Energy Conversion Technologies: Applications in Organic Photovoltaics, Catalysis, and Atomic Layer Deposition

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-07

Caractérisation des propriétés mécaniques de la pâte de carbone à 150°C dans le but d’optimiser la mise en forme des anodes utilisées dans les cuves Hall-Héroult

Les anodes de carbone sont des éléments consommables servant d’électrode dans la réaction électrochimique d’une cuve Hall-Héroult. Ces dernières sont produites massivement via une chaine de production dont la mise en forme est une des étapes critiques puisqu’elle définit une partie de leur qualité. Le procédé de mise en forme actuel n’est pas pleinement optimisé. Des gradients de densité importants à l’intérieur des anodes diminuent leur performance dans les cuves d’électrolyse. Encore aujourd’hui, les anodes de carbone sont produites avec comme seuls critères de qualité leur densité globale et leurs propriétés mécaniques finales. La manufacture d’anodes est optimisée de façon empirique directement sur la chaine de production. Cependant, la qualité d’une anode se résume en une conductivité électrique uniforme afin de minimiser les concentrations de courant qui ont plusieurs effets néfastes sur leur performance et sur les coûts de production d’aluminium. Cette thèse est basée sur l’hypothèse que la conductivité électrique de l’anode n’est influencée que par sa densité considérant une composition chimique uniforme. L’objectif est de caractériser les paramètres d’un modèle afin de nourrir une loi constitutive qui permettra de modéliser la mise en forme des blocs anodiques. L’utilisation de la modélisation numérique permet d’analyser le comportement de la pâte lors de sa mise en forme. Ainsi, il devient possible de prédire les gradients de densité à l’intérieur des anodes et d’optimiser les paramètres de mise en forme pour en améliorer leur qualité. Le modèle sélectionné est basé sur les propriétés mécaniques et tribologiques réelles de la pâte. La thèse débute avec une étude comportementale qui a pour objectif d’améliorer la compréhension des comportements constitutifs de la pâte observés lors d’essais de pressage préliminaires. Cette étude est basée sur des essais de pressage de pâte de carbone chaude produite dans un moule rigide et sur des essais de pressage d’agrégats secs à l’intérieur du même moule instrumenté d’un piézoélectrique permettant d’enregistrer les émissions acoustiques. Cette analyse a précédé la caractérisation des propriétés de la pâte afin de mieux interpréter son comportement mécanique étant donné la nature complexe de ce matériau carboné dont les propriétés mécaniques sont évolutives en fonction de la masse volumique. Un premier montage expérimental a été spécifiquement développé afin de caractériser le module de Young et le coefficient de Poisson de la pâte. Ce même montage a également servi dans la caractérisation de la viscosité (comportement temporel) de la pâte. Il n’existe aucun essai adapté pour caractériser ces propriétés pour ce type de matériau chauffé à 150°C. Un moule à paroi déformable instrumenté de jauges de déformation a été utilisé pour réaliser les essais. Un second montage a été développé pour caractériser les coefficients de friction statique et cinétique de la pâte aussi chauffée à 150°C. Le modèle a été exploité afin de caractériser les propriétés mécaniques de la pâte par identification inverse et pour simuler la mise en forme d’anodes de laboratoire. Les propriétés mécaniques de la pâte obtenues par la caractérisation expérimentale ont été comparées à celles obtenues par la méthode d’identification inverse. Les cartographies tirées des simulations ont également été comparées aux cartographies des anodes pressées en laboratoire. La tomodensitométrie a été utilisée pour produire ces dernières cartographies de densité. Les résultats des simulations confirment qu’il y a un potentiel majeur à l’utilisation de la modélisation numérique comme outil d’optimisation du procédé de mise en forme de la pâte de carbone. La modélisation numérique permet d’évaluer l’influence de chacun des paramètres de mise en forme sans interrompre la production et/ou d’implanter des changements coûteux dans la ligne de production. Cet outil permet donc d’explorer des avenues telles la modulation des paramètres fréquentiels, la modification de la distribution initiale de la pâte dans le moule, la possibilité de mouler l’anode inversée (upside down), etc. afin d’optimiser le processus de mise en forme et d’augmenter la qualité des anodes.

Synthesis and Characterization of Nanostructured Electro-active Materials

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-08

Développement et caractérisation de nouveaux nanocomposites polymères électriquement conductueurs pour plaques bipolaires de piles à combustible à membrane échangeuse de protons, PEMFC

Face à la diminution des ressources énergétiques et à l’augmentation de la pollution des énergies fossiles, de très nombreuses recherches sont actuellement menées pour produire de l’énergie propre et durable et pour réduire l’utilisation des sources d’énergies fossiles caractérisées par leur production intrinsèque des gaz à effet de serre. La pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) est une technologie qui prend de plus en plus d’ampleur pour produire l’énergie qui s’inscrit dans un contexte de développement durable. La PEMFC est un dispositif électrochimique qui fonctionne selon le principe inverse de l’électrolyse de l’eau. Elle convertit l’énergie de la réaction chimique entre l’hydrogène et l’oxygène (ou l’air) en puissance électrique, chaleur et eau; son seul rejet dans l’atmosphère est de la vapeur d’eau. Une pile de type PEMFC est constituée d’un empilement Électrode-Membrane-Électrode (EME) où la membrane consiste en un électrolyte polymère solide séparant les deux électrodes (l’anode et la cathode). Cet ensemble est intégré entre deux plaques bipolaires (BP) qui permettent de collecter le courant électrique et de distribuer les gaz grâce à des chemins de circulation gravés sur chacune de ses deux faces. La plupart des recherches focalisent sur la PEMFC afin d’améliorer ses performances électriques et sa durabilité et aussi de réduire son coût de production. Ces recherches portent sur le développement et la caractérisation des divers éléments de ce type de pile; y compris les éléments les plus coûteux et les plus massifs, tels que les plaques bipolaires. La conception de ces plaques doit tenir compte de plusieurs paramètres : elles doivent posséder une bonne perméabilité aux gaz et doivent combiner les propriétés de résistance mécanique, de stabilité chimique et thermique ainsi qu’une conductivité électrique élevée. Elles doivent aussi permettre d’évacuer adéquatement la chaleur générée dans le cœur de la cellule. Les plaques bipolaires métalliques sont pénalisées par leur faible résistance à la corrosion et celles en graphite sont fragiles et leur coût de fabrication est élevé (dû aux phases d’usinage des canaux de cheminement des gaz). C’est pourquoi de nombreuses recherches sont orientées vers le développement d’un nouveau concept de plaques bipolaires. La voie la plus prometteuse est de remplacer les matériaux métalliques et le graphite par des composites à matrice polymère. Les plaques bipolaires composites apparaissent attrayantes en raison de leur facilité de mise en œuvre et leur faible coût de production mais nécessitent une amélioration de leurs propriétés électriques et mécaniques, d’où l’objectif principal de cette thèse dans laquelle on propose: i) un matériau nanocomposite développé par extrusion bi-vis qui est à base de polymères chargés d’additifs solides conducteurs, incluant des nanotubes de carbone. ii) fabriquer un prototype de plaque bipolaire à partir de ces matériaux en utilisant le procédé de compression à chaud avec un refroidissement contrôlé. Dans ce projet, deux polymères thermoplastiques ont été utilisés, le polyfluorure de vinylidène (PVDF) et le polyéthylène téréphtalate (PET). Les charges électriquement conductrices sélectionnées sont: le noir de carbone, le graphite et les nanotubes de carbones. La combinaison de ces charges conductrices a été aussi étudiée visant à obtenir des formulations optimisées. La conductivité électrique à travers l’épaisseur des échantillons développés ainsi que leurs propriétés mécaniques ont été soigneusement caractérisées. Les résultats ont montré que non seulement la combinaison entre les charges conductrices influence les propriétés électriques et mécaniques des prototypes développés, mais aussi la distribution de ces charges (qui de son côté dépend de leur nature, leur taille et leurs propriétés de surface), avait aidé à améliorer les propriétés visées. Il a été observé que le traitement de surface des nanotubes de carbone avait aidé à l’amélioration de la conductivité électrique et la résistance mécanique des prototypes. Le taux de cristallinité généré durant le procédé de moulage par compression des prototypes de plaques bipolaires ainsi que la cinétique de cristallisation jouent un rôle important pour l’optimisation des propriétés électriques et mécaniques visées.

The shallow water approximation applied to the aluminium electrolysis process

The industrial production of aluminium is an electrolysis process where two superposed horizontal liquid layers are subjected to a mainly vertical electric current supplied by carbon electrodes. The lower layer consists of molten aluminium and lies on the cathode. The upper layer is the electrolyte and is covered by the anode. The interface between the two layers is often perturbed, leading to oscillations, or waves, similar to the waves on the surface of seas or lakes. The presence of electric currents and the resulting magnetic field are responsible for electromagnetic (Lorentz) forces within the fluid, which can amplify these oscillations and have an adverse influence on the process. The electrolytic bath vertical to horizontal aspect ratio is such, that it is advantageous to use the shallow water equations to model the interface motion. These are the depth-averaging the Navier-Stokes equations so that nonlinear and dispersion terms may be taken into account. Although these terms are essential to the prediction of wave dynamics, they are neglected in most of the literature on interface instabilities in aluminium reduction cells where only the linear theory is usually considered. The unknown variables are the two horizontal components of the fluid velocity, the height of the interface and the electric potential. In this application, a finite volume resolution of the double-layer shallow water equations including the electromagnetic sources has been developed, for incorporation into a generic three-dimensional computational fluid dynamics code that also deals with heat transfer within the cell.

A finite-volume shallow layer method for the MHD instabilities in an aluminium production cell

An electrolytic cell for Aluminium production contains molten metal and molten electrolyte, which are subject to high dc-currents and magnetic fields. Lorentz forces arising from the cross product of current and magnetic field may amplify natural gravity waves at the interface between the two fluids, leading to short circuits in extreme cases. The external magnetic field and current distribution in the production cell is computed through a detailed finite element analysis at Torino Polytechnic. The results are then used to compute the magnetohydrodynamic and thermal effects in the aluminium/electrolyte bath. Each cell has lateral dimensions of 6m x 2m, whilst the bath depth is only 30cm. the electrically resistive electrolyte path, which is critical in the operation of the cell, has layer depth of only a few centimetres below each carbon anode. Because the shallow dimensions of the liquid layer a finite-volume shallow-layer technique has been used at Greenwich to compute the resulting flow-field and interface perturbations. The information obtained from this method, i.e. depth averaged velocities and aluminium/electrolyte interface position is then embedded in the three-dimensional finite volume code PHYSICA and will be used to compute the heat transfer and phase change in the cell.

(Starke) Metall-Träger Wechselwirkung von SOFC-relevanten Anodenmaterialien

Mag. Ramona Thalinger

Electrolytic cells for plastic waste recycling

The current project assesses potential molten alloy anodes for Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) running on solid waste. A detailed phase diagram study was performed to locate probable anode systems. The molten metal oxide system PbO-Sb2O3 was selected as a possible molten alloy anode for this application. A detailed vapour pressure study of this system was performed. Several cells were fabricated to experimentally assess the electrochemical properties of this system. The work reveals several unexpected limiting features such as the incompatibility between the platinum and the chosen alloy. A second cell was built, this time using rhenium wires instead, preventing such reaction. However, the rhenium wire sublimes under oxidizing conditions (air) and the sealing glass and the chosen alloy system react with each other under long term use. Considering all these issues, a third cell design was conceived, surpassing some obstacles and providing some initial information regarding the electrochemical behaviour. The current project shows that many parameters need to be taken into account to ensure materials compatibility. For the PbOSb2O3 system, the high volatility of Sb2O3 was a serious limitation that can only be addressed through the application of new contact wires or sealing materials and conditions. Nonetheless, the project highlights several other potential systems that can be considered, such as Pb11Ge3O17, Pb3GeO5, Pb5Ge3O11, Bi2CuO4, Bi2PdO4, Bi12GeO20.

Clustering through post inhibitory rebound in synaptically coupled neurons

Post inhibitory rebound is a nonlinear phenomenon present in a variety of nerve cells. Following a period of hyper-polarization this effect allows a neuron to fire a spike or packet of spikes before returning to rest. It is an important mechanism underlying central pattern generation for heartbeat, swimming and other motor patterns in many neuronal systems. In this paper we consider how networks of neurons, which do not intrinsically oscillate, may make use of inhibitory synaptic connections to generate large scale coherent rhythms in the form of cluster states. We distinguish between two cases i) where the rebound mechanism is due to anode break excitation and ii) where rebound is due to a slow T-type calcium current. In the former case we use a geometric analysis of a McKean type model to obtain expressions for the number of clusters in terms of the speed and strength of synaptic coupling. Results are found to be in good qualitative agreement with numerical simulations of the more detailed Hodgkin-Huxley model. In the second case we consider a particular firing rate model of a neuron with a slow calcium current that admits to an exact analysis. Once again existence regions for cluster states are explicitly calculated. Both mechanisms are shown to prefer globally synchronous states for slow synapses as long as the strength of coupling is sufficiently large. With a decrease in the duration of synaptic inhibition both systems are found to break into clusters. A major difference between the two mechanisms for cluster generation is that anode break excitation can support clusters with several groups, whilst slow T-type calcium currents predominantly give rise to clusters of just two (anti-synchronous) populations.

An electrochemical process for the production of synthetic fuels at low temperatures [Resumo]

Following work exploring the low temperature electrolysis in alkaline media, using graphite consumable anodes, from which syngas was obtained1, laboratory studies have been conducted in acid media pursuing higher efficiency in the production of hydrogen and synthetic fuels. Experiments were conducted in an own designed undivided planar cell with 25 cm2 geometrical area electrodes using a 0.5 M H2SO4 solution with and without Fe(II) additions. Fe2+ oxidizes to Fe3+ at the anode surface. The redox couple Fe3+/ Fe2+ acts as an oxidation mediator not only oxidizing the bulk and detached graphite but also the surface functional groups. The practical experimental potential for graphite oxidation is within the range for the electroxidation of the Fe redox couple giving as a result a 4-fold increase in the amount of produced CO2 at near room temperature, when using 0.025 M FeSO4.

Ceramic Materials Development for Intermediate Temperature Solid Oxide Fuel Cell (IT-SOFC)

Solid oxide fuel cell (SOFC) is an electrochemical device that converts chemical energy into electric power with high efficiency. Traditional SOFC has its disadvantages, such as redox cycling instability and carbon deposition while using hydrocarbon fuels. It is because traditional SOFC uses Ni-cermet as anode. In order to solve these problems, ceramic anode is a good candidate to replace Ni. However, the conductivity of most ceramic anode materials are much lower than Ni metal, and it introduces high ohmic resistance. How to increase the conductivity is a hot topic in this research field. Based on our proposed mechanism, several types of ceramic materials have been developed. Vanadium doped perovskite, Sr1-x/2VxTi1-xO3 (SVT) and Sr0.2Na0.8Nb1-xVxO3 (SNNV), achieved the conductivity as high as 300 S*cm-1 in hydrogen, without any high temperature reduction. GDC electrolyte supported cell was fabricated with Sr0.2Na0.8Nb0.9V0.1O3 and the performance was measured in hydrogen and methane respectively. Due to vanadium’s intrinsic problems, the anode supported cell is not easy. Fe doped double perovskite Sr2CoMoO6 (SFCM) was also developed. By carefully doping Fe, the conductivity was improved over one magnitude, without any vigorous reducing conditions. SFCM anode supported cell was successfully fabricated with GDC as the electrolyte. By impregnating Ni-GDC nano particles into the anode, the cell can be operated at lower temperatures while having higher performance than the traditional Ni-cermet cells. Meanwhile, this SFCM anode supported SOFC has long term stability in the reformate containing methane. During the anode development, cathode improvement caused by a thin Co-GDC layer was observed. By adding this Co-GDC layer between the electrolyte and the cathode, the interfacial resistance decreases due to fast oxygen ion transport. This mechanism was confirmed via isotope exchange. This Co-GDC layer works with multiple kinds of cathodes and the modified cell’s performance is 3 times as the traditional Ni-GDC cell. With this new method, lowering the SOFC operation temperature is feasible.

Scalable synthetic method for IT-SOFCs compounds

Póster presentado en: 12th EUROPEAN SOFC & SOE FORUM 2016. 5–8 July 2016, KKL Lucerne/Switzerland

Síntese e caracterização de NiO-CGO para anodo e eletrólitos sólidos e base de Céria para SOFC

The direct use of natural gas makes the Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) potentially more competitive with the current energy conversions technologies. The Intermediate Temperature SOFC (IT-SOFC) offer several advantages over the High Temperature SOFC (HT-SOFC), which includes better thermal compatibility among components, fast start with lower energy consumption, manufacture and operation cost reduction. The CeO2 based materials are alternatives to the Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) to application in SOFC, as they have higher ionic conductivity and less ohmic losses comparing to YSZ, and they can operate at lower temperatures (500-800°C). Ceria has been doped with a variety of cations, although, the Gd3+ has the ionic radius closest to the ideal one to form solid solution. These electrolytes based in ceria require special electrodes with a higher performance and chemical and termomechanical compatibility. In this work compounds of gadolinia-doped ceria, Ce1-xGdxO2-δ (x = 0,1; 0,2 and 0,3), used as electrolytes, were synthesized by polymeric precursors method, Pechini, as well as the composite material NiO - Ce0,9Gd0,1O1,95, used as anode, also attained by oxide mixture method, mixturing the powders of the both phases calcinated already. The materials were characterized by X ray diffraction, dilatometry and scanning electronic microscopy. The refinement of the diffraction data indicated that all the Ce1-xGdxO2-δ powders were crystallized in a unique cubic phase with fluorite structure, and the composite synthesized by Pechini method produced smaller crystallite size in comparison with the same material attained by oxide mixture method. All the produced powders had nanometric characteristics. The composite produced by Pechini method has microstructural characteristics that can increase the triple phase boundaries (TPB) in the anode, improving the cell efficiency, as well as reducing the mass transport mechanism effect that provokes anode degradation

INVESTIGATION OF MAGNESIUM ION CHARGE STORAGE MECHANISM IN MANGANESE DIOXIDE

Magnesium (Mg) battery is considered as a promising candidate for the next generation battery technology that could potentially replace the current lithium (Li)-ion batteries due to the following factors. Magnesium possesses a higher volumetric capacity than commercialized Li-ion battery anode materials. Additionally, the low cost and high abundance of Mg compared to Li makes Mg batteries even more attractive. Moreover, unlike metallic Li anodes which have a tendency to develop a dendritic structure on the surface upon the cycling of the battery, Mg metal is known to be free from such a hazardous phenomenon. Due to these merits of Mg as an anode, the topic of rechargea¬ble Mg batteries has attracted considerable attention among researchers in the last few decades. However, the aforementioned advantages of Mg batteries have not been fully utilized due to the serious kinetic limitation of Mg2+ diffusion process in many hosting compounds which is believed to be due to a strong electrostatic interaction between divalent Mg2+ ions and hosting matrix. This serious kinetic hindrance is directly related to the lack of cathode materials for Mg battery that provide comparable electrochemical performances to that of Li-based system. Manganese oxide (MnO2) is one of the most well studied electrode materials due to its excellent electrochemical properties, including high Li+ ion capacity and relatively high operating voltage (i.e., ~ 4 V vs. Li/Li+ for LiMn2O4 and ~ 3.2 V vs. Mg/Mg2+). However, unlike the good electrochemical properties of MnO2 realized in Li-based systems, rather poor electrochemical performances have been reported in Mg based systems, particularly with low capacity and poor cycling performances. While the origin of the observed poor performances is believed to be due to the aforementioned strong ionic interaction between the Mg2+ ions and MnO2 lattice resulting in a limited diffusion of Mg2+ ions in MnO2, very little has been explored regarding the charge storage mechanism of MnO2 with divalent Mg2+ ions. This dissertation investigates the charge storage mechanism of MnO2, focusing on the insertion behaviors of divalent Mg2+ ions and exploring the origins of the limited Mg2+ insertion behavior in MnO2. It is found that the limited Mg2+ capacity in MnO2 can be significantly improved by introducing water molecules in the Mg electrolyte system, where the water molecules effectively mitigated the kinetic hindrance of Mg2+ insertion process. The combination of nanostructured MnO2 electrode and water effect provides a synergic effect demonstrating further enhanced Mg2+ insertion capability. Furthermore, it is demonstrated in this study that pre-cycling MnO2 electrodes in water-containing electrolyte activates MnO2 electrode, after which improved Mg2+ capacity is maintained in dry Mg electrolyte. Based on a series of XPS analysis, a conversion mechanism is proposed where magnesiated MnO2 undergoes a conversion reaction to Mg(OH)2 and MnOx and Mn(OH)y species in the presence of water molecules. This conversion process is believed to be the driving force that generates the improved Mg2+ capacity in MnO2 along with the water molecule’s charge screening effect. Finally, it is discussed that upon a consecutive cycling of MnO2 in the water-containing Mg electrolyte, structural water is generated within the MnO2 lattice, which is thought to be the origin of the observed activation phenomenon. The results provided in this dissertation highlight that the divalency of Mg2+ ions result in very different electrochemical behaviors than those of the well-studied monovalent Li+ ions towards MnO2.