حدود المرحلة الثلاثية
الحدود ثلاثية الأطوار ( TPB ) هي تصنيف هندسي لحدود الأطوار ، وهي مواقع التماس بين ثلاثة أطوار مختلفة . ومن الأمثلة البسيطة على الحدود ثلاثية الأطوار، السواحل حيث تلتقي اليابسة والهواء والبحر لتكوين منطقة غنية بالطاقة، مدفوعة بالطاقة الشمسية وطاقة الرياح والأمواج ، وقادرة على دعم مستوى عالٍ من التنوع البيولوجي. يكتسب هذا المفهوم أهمية خاصة في وصف الأقطاب الكهربائية في خلايا الوقود والبطاريات . ففي خلايا الوقود، على سبيل المثال، تتكون الأطوار الثلاثة من موصل أيوني ( إلكتروليت )، وموصل إلكتروني ، وطور "مسامي" افتراضي لنقل جزيئات الوقود الغازية أو السائلة . وتحدث التفاعلات الكهروكيميائية التي تستخدمها خلايا الوقود لإنتاج الكهرباء في وجود هذه الأطوار الثلاثة. وبالتالي، تُعد الحدود ثلاثية الأطوار المواقع النشطة كهروكيميائيًا داخل الأقطاب الكهربائية.
يمكن كتابة تفاعل اختزال الأكسجين الذي يحدث عند مهبط خلية الوقود الصلبة (SOFC) على النحو التالي:
يا2 (غاز) + 4إلكتروناتقطبكهربائي) → 2O 2−(المنحل بالكهرباء)
تُوَصِّل آلياتٌ مختلفةٌ هذه المواد المتفاعلة إلى نقطة التفاعل الثلاثية (TPB) لإتمام هذا التفاعل. [ 1 ] تُعدّ حركية هذا التفاعل أحد العوامل المُحدِّدة لأداء الخلية، لذا فإن زيادة كثافة نقاط التفاعل الثلاثية ستزيد من معدل التفاعل ، وبالتالي تُحسِّن أداء الخلية. [ 2 ] وبالمثل، ستؤثر كثافة نقاط التفاعل الثلاثية أيضًا على حركية تفاعل الأكسدة الذي يحدث بين أيونات الأكسجين والوقود على جانب المصعد من الخلية. كما سيؤثر النقل من وإلى كل نقطة تفاعل ثلاثية على الحركية، لذا يُعدّ تحسين مسارات وصول المواد المتفاعلة والناتجة إلى المنطقة النشطة أمرًا بالغ الأهمية. يستخدم الباحثون العاملون في مجال خلايا الوقود بشكل متزايد تقنيات التصوير ثلاثي الأبعاد مثل المجهر الإلكتروني الماسح ذي الحزمة الأيونية المركزة ( FIB-SEM) والتصوير المقطعي النانوي بالأشعة السينية لقياس كثافة نقاط التفاعل الثلاثية كوسيلة لتوصيف نشاط الخلية. [ 3 ] [ 4 ] وقد أظهرت تقنيات المعالجة الحديثة، مثل التغلغل، قدرتها على زيادة كثافة نقاط التفاعل الثلاثية بشكل كبير، مما يؤدي إلى كفاءة أعلى، وربما إلى خلايا وقود أكسيد صلب (SOFCs) أكثر جدوى تجاريًا. [ 5 ]
الوحدات
في الأنظمة المكونة من ثلاث مراحل فقط، تُشكل حدود المراحل الثلاثية حلقات خطية مغلقة هندسيًا لا تتقاطع مع حدود مراحل ثلاثية أخرى، وبالتالي لا تُشكل شبكة. يُمكن تصور أبسط شكل لحدود المراحل الثلاثية بسهولة باستخدام كرتين متقاطعتين بأحجام عشوائية من مراحل مختلفة معلقتين في الفضاء الحر (انظر الشكل 3 [ 6 ] )، مما يُنشئ حدًا دائريًا عند تقاطع الكرتين. مع ذلك، في الأقطاب الكهربائية، تتخذ حلقات حدود المراحل الثلاثية عادةً أشكالًا معقدة وعشوائية للغاية في ثلاثة أبعاد . ولذلك، تُقاس حدود المراحل الثلاثية بوحدة الطول. بالنسبة للأقطاب الكهربائية، يُوفر توحيد طول حدود المراحل الثلاثية مع كثافتها مُعاملًا مهمًا للبنية المجهرية لوصف أداء القطب، وبالتالي أداء الخلية، وهو مُستقل عن أبعاد القطب. عادةً ما تكون كثافة حدود المراحل الثلاثية كثافة حجمية، وتُقاس بوحدات مقلوب مربع الطول، عادةً ميكرومتر مربع (أي ميكرومتر مكعب / ميكرومتر مكعب ) نظرًا لحجم خصائص البنية المجهرية النموذجية للأقطاب الكهربائية.
TPB النشط
لا تكون حدود الأطوار الثلاثية نشطة كهروكيميائيًا إلا إذا كان كل طور منها متصلًا بمصادر ووجهات أنواع التفاعل لإتمام التفاعل الكهروكيميائي. غالبًا ما يُشار إلى حدود الأطوار الثلاثية النشطة باسم حدود الأطوار الثلاثية المتخللة . على سبيل المثال، في خلية وقود أكسيد صلب (SOFC) ذات مصعد من السيرميت Ni-YSZ، يجب أن:
- يجب أن يكون بالإمكان الوصول إلى الهيدروجين من مدخل غاز الأنود، وأن يكون بالإمكان تصريف البخار إلى مخرج غاز الأنود عبر شبكة الطور المسامي.
- إمكانية الوصول إلى أيونات الأكسجين المنقولة من شبكة طور الإلكتروليت YSZ
- القدرة على توصيل الإلكترونات من نقطة التلامس الثلاثية عبر شبكة النيكل الموصلة للإلكترونات إلى جامع تيار الأنود
بالإضافة إلى زيادة كثافة TPB، من الواضح أنه من المفيد زيادة نسبة الكثافة النشطة إلى إجمالي كثافة TPB لزيادة أداء القطب/الخلية.
انظر أيضاً
مراجع
- ^ فهريباخ، جوزيف د. أوهاير ، ريان (يناير 2009). “حدود الطور الثلاثي في كاثودات الأكسيد الصلب”. مجلة SIAM للرياضيات التطبيقية . 70 (2): 510-530 . دوى : 10.1137 / 080722667 . ISSN 0036-1399 . S2CID 17872247 .
- ↑ أوهير، رايان؛ برينز، فريتز ب. (2004). "الحدود الثلاثية الأطوار للهواء/البلاتين/نافايون: الخصائص، والقياس، والآثار المترتبة على خلايا الوقود". مجلة الجمعية الكهروكيميائية . 151 (5): A756. Bibcode : 2004JElS..151A.756O . doi : 10.1149/1.1701868 .
- ^ فيفيت، ن. تشوبين، S .؛ إستريد، إي؛ ريتشارد، أ.؛ بونامي، س. روشايس، د.؛ برونيتون، إي. (ديسمبر 2011). "تأثير محتوى النيكل في سيراميك SOFC Ni-YSZ: دراسة ثلاثية الأبعاد بواسطة التصوير المقطعي FIB-SEM". مجلة مصادر الطاقة . 196 (23): 9989– 9997. بيب كود : 2011JPS...196.9989V . دوى : 10.1016/j.jpowsour.2011.07.010 .
- ↑ سونغ، بوين؛ رويز-تريجو، إنريكي؛ بيرتي، أنطونيو؛ براندون، نايجل ب. (يناير 2018). "قياس تدهور مصاعد Ni-YSZ أثناء دورات الأكسدة والاختزال" . مجلة مصادر الطاقة . 374 : 61-68 . Bibcode : 2018JPS...374...61S . doi : 10.1016/j.jpowsour.2017.11.024 . hdl : 10044/1/53328 .
- ↑ سونغ، ب.؛ رويز-تريجو، إ.؛ براندون، ن.ب. (أغسطس 2018). "تحسين الاستقرار الميكانيكي لهيكل Ni-YSZ كما تم إثباته بواسطة اختبار النانو-انضغاط وقياس المعاوقة الكهروكيميائية" . مجلة مصادر الطاقة . 395 : 205-211 . Bibcode : 2018JPS...395..205S . doi : 10.1016/j.jpowsour.2018.05.075 . hdl : 10044/1/60309 .
- ↑ يورغنسن، ب.س.؛ هانسن، ك.ف.؛ لارسن، ر.؛ بوين، ج.ر. (15-12-2010). "توصيف دقيق للواجهات في أنظمة المواد ثلاثية الأطوار في ثلاثة أبعاد". مجلة مصادر الطاقة . 195 (24): 8168-8176 . Bibcode : 2010JPS...195.8168J . doi : 10.1016/j.jpowsour.2010.06.083 .
- خلايا الوقود