余 亮 于方永 苑莉莉 蔡位子 劉 江,* 楊成浩 劉美林,,*(華南理工大學環(huán)境與能源學院新能源研究所,廣州50006;華南理工大學化學與化工學院,廣州5064;美國佐治亞理工學院材料科學與工程系,亞特蘭大GA0-045,美國)
銀基陶瓷復合電極的電性能及其在固體氧化物燃料電池中的應用
余亮1,2于方永1苑莉莉2蔡位子1,2劉江1,2,*楊成浩1,2劉美林1,3,*
(1華南理工大學環(huán)境與能源學院新能源研究所,廣州510006;2華南理工大學化學與化工學院,廣州510641;3美國佐治亞理工學院材料科學與工程系,亞特蘭大GA30332-0245,美國)
銀基陶瓷復合電極可望在中低溫固體氧化物燃料電池(SOFCs)、含碳燃料SOFCs和固體氧化物電解池(SOECs)中得到廣泛應用。為優(yōu)選出銀基陶瓷復合電極的成分,本研究采用YSZ(釔穩(wěn)定化氧化鋯)電解質(zhì),先將Ag-YSZ和Ag-GDC(摻釓氧化鈰)材料制備成對稱電極,測試其在空氣下的阻抗譜,由此判斷其作為陰極的性能;發(fā)現(xiàn)在相同的Ag含量時,Ag-YSZ的陰極極化電阻普遍低于Ag-GDC;當Ag的質(zhì)量分數(shù)為65%時,Ag-YSZ的極化電阻最低,而對于Ag-GDC,Ag的質(zhì)量分數(shù)是70%。然后采用空氣中極化電阻最低的Ag-YSZ和Ag-GDC作為電極制備了SOFC單電池,并采用加濕氫氣燃料對電池的電化學性能進行了測試。根據(jù)電池的阻抗譜數(shù)據(jù),將極化阻抗的數(shù)值減去上述陰極阻抗的數(shù)值可得到陽極阻抗值,其結(jié)果和電池的輸出特性均表明,Ag-GDC作為陽極的性能優(yōu)于Ag-YSZ,即在本實驗條件下,Ag-YSZ更適合用作陰極,而Ag-GDC更適合用作陽極。本研究不僅提供了關(guān)于銀基復合電極材料的有用數(shù)據(jù),還提供了一種測試SOFC陽極極化電阻的方法。
固體氧化物燃料電池;電極;銀;釔穩(wěn)定化氧化鋯;摻釓氧化鈰
doi:10.3866/PKU.WHXB201512032
固體氧化物燃料電池(SOFCs)是一種能將燃料中的化學能直接而連續(xù)地轉(zhuǎn)化為電能的電化學發(fā)電裝置,具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、電轉(zhuǎn)換效率高、對環(huán)境友好、適用燃料范圍廣及壽命長等優(yōu)點,被公認為具有良好發(fā)展前景的新型發(fā)電技術(shù)1-3。為了大幅度地降低成本、拓寬材料的選擇范圍和提高SOFC系統(tǒng)的穩(wěn)定性,近年來研究者做了大量的工作,旨在把SOFC的操作溫度從傳統(tǒng)的1000°C降到600-800°C4-8。目前普遍采用的SOFC電解質(zhì)材料為釔穩(wěn)定化氧化鋯[(ZrO2)0.92(Y2O3)0.08,YSZ],陽極材料采用鎳和YSZ復合的金屬陶瓷(Ni-YSZ),陰極材料采用摻鍶的錳酸鑭(La0.8Sr0.2MnO3,LSM)和YSZ的復合陶瓷LSMYSZ。YSZ電解質(zhì)在較低的工作溫度下歐姆電阻較大,嚴重地影響電池的性能,因此,降低SOFC工作溫度的一種主要手段就是將YSZ電解質(zhì)薄膜化以減小電解質(zhì)的歐姆電阻損失9,10;此外,還有一種方法就是采用在低溫下具有較高離子電導率的電解質(zhì)材料,例如氧化鈰基11和鎵酸鑭基12材料。然而,隨著電池工作溫度的降低,LSM電極的極化電阻明顯增大,由此帶來的電極極化損失就凸顯出來。已有研究表明,銀與陶瓷的復合材料可作為高性能的中低溫SOFC的陰極材料13,14。銀具有很高的電子電導率,與之復合的材料為具有氧離子導電性的陶瓷,例如YSZ或摻雜氧化鈰。YSZ具有很好的穩(wěn)定性,摻雜氧化鈰不僅具有較高的離子導電率,而且對SOFC電極的氧化還原反應具有很好的催化活性15,16。由于銀在高溫氧化氣氛和含碳氣體中相對穩(wěn)定,最近,銀和釓摻雜的氧化鈰(GDC)的復合材料(Ag-GDC)被廣泛用于直接碳固體氧化物燃料電池(DC-SOFC)的陰極和陽極上17-22。此外,由于銀基陶瓷復合電極不需要事先經(jīng)過還原處理,還可被用于固體氧化物電解池(SOEC)中23。然而,目前還沒有對此類銀基電極的成分進行優(yōu)化。在本文中,采用YSZ電解質(zhì),分別采用Ag-YSZ或Ag-GDC為電極材料,通過對不同組分電極在空氣中的阻抗譜進行測試,分別選出Ag-YSZ和Ag-GDC電極的最佳成分比;結(jié)合相應電極材料組裝成的SOFC電化學性能測試結(jié)果,區(qū)分出陰極和陽極的極化電阻,并對實驗結(jié)果進行了討論和分析。
2.1Ag-YSZ、Ag-GDC電極漿料的制備
分別稱取質(zhì)量比為6:94的聚乙烯醇縮丁醛(PVB,天津光大冰峰化工有限公司,A.R.)和松油醇(汕頭市光華化學廠,A.R.),置于燒杯中,在60°C的水浴鍋中溶解24 h作為粘結(jié)劑待用。按照Ag和YSZ的質(zhì)量比為60:40用電子天平(FA2004/ V,上海精密科學儀器)稱取Ag漿(導電膠DAD-87,上海市合成樹脂研究所,99.99%,含Ag質(zhì)量比為80%)和YSZ(日本Tosoh公司,99.99%),再稱取質(zhì)量為YSZ粉體的1.5倍的粘結(jié)劑,加入瑪瑙研缽中研磨2 h,得到均勻的、流動性好的復合電極漿料。按同樣的方法制備Ag和YSZ的質(zhì)量比分別為50:50、60:40、65:35、70:30、80:20(對應的體積比分別為36:64、46:54、51:49、57: 43、69:31)的電極漿料各一份備用。
采用類似的方法,用GDC(寧波工程材料研究所,99.99%)代替YSZ,制備Ag和GDC的質(zhì)量比分別為56:44、60:40、65:35、70:30、75: 25、85:15(對應的體積比分別為47:53、52:48、56:44、62:38、67:33、80:20)的電極漿料各一份備用。
2.2對稱電極的制備及其在空氣氣氛下的電性能表征
YSZ電解質(zhì)片的制備:分別稱取1 g的聚乙烯醇縮丁醛(PVB)和9 g的無水乙醇(國藥集團化學試劑有限公司,A.R.),置于100 mL燒杯中,將燒杯用鋁箔封好再放入60°C烘箱(JB202,上海錦屏儀器儀表有限公司)中溶解12 h,得到PVB乙醇溶液,待用。稱取5 g的YSZ于研缽中,用膠頭滴管滴入約1 mL的無水乙醇然后輕攪至粉體疏松,再用膠頭滴管取2.5 g的PVB乙醇溶液分三次加入研缽中,過程中不停地研磨,直至粉體呈干燥均勻狀態(tài)。然后,每次稱取0.27 g研磨均勻的YSZ粉體,置于直徑為13 mm的模具中,在約4 MPa的壓力下在壓片機上(FW-4A,天津市光學儀器廠)壓出直徑為13 mm,厚度約為0.5 mm的圓片,最后將壓好的片在空氣氣氛中1400°C下燒結(jié)4 h,得到Y(jié)SZ電解質(zhì)片。
分別將各種配比的復合電極漿料用小刷子均勻地涂覆在燒結(jié)好的電解質(zhì)片的兩面作為對稱電極,置于烘箱中140°C烘干,最后在電爐(SS、QX、SX,上海才興高溫元件電爐廠)中880°C燒結(jié)4 h。對稱電極的有效面積為0.20 cm2,采用四電極法,使用德國Zahner電化學工作站(IM6,德國Zahner公司)測試對稱電極在空氣氣氛下的交流阻抗譜,由此獲得對稱電極在空氣氣氛下的極化電阻數(shù)據(jù),測試溫度環(huán)境由DRZ-6型高溫管式電阻爐(41012,天津市泰斯特儀器有限公司)提供。
2.3單電池的組裝、測試和性能表征
采用YSZ片作為電解質(zhì),取上述測試中極化電阻最小的Ag-YSZ和Ag-GDC電極漿料,用小刷子分別均勻地涂覆在電解質(zhì)片的兩面上作為電池的兩個電極,陽極、陰極分別重復涂刷4次,然后置于烘箱中140°C烘干,最后在高溫電爐中880°C燒結(jié)4 h,電池的有效面積為0.20 cm2。采用銀漿為封接劑,將此電池片封裝在一尺寸相當?shù)奶沾晒艿囊欢?,用銀線作為陰極和陽極電流引線。封接完畢后將電池放入烘箱中140°C完全烘干。將電池有效部分(陽極|電解質(zhì)|陰極)置于DRZ-6型高溫管式電阻爐的恒溫區(qū)(電爐管的中部),向陽極側(cè)通入流速為50 mL?min-1的加濕氫氣(3%(體積分數(shù))H2O)作為燃料氣,陰極暴露在空氣中,以空氣中靜態(tài)的氧氣作為電池反應的氧化劑;采用德國Zahner電化學工作站對電池的電化學性能進行測試,測試溫度范圍為700-800°C。電池的電流-電壓(I-V)曲線通過線性掃描伏安法進行測試,掃描范圍為1.2-0.2 V,掃描速率為5 mV?s-1,交流阻抗譜是在開路狀態(tài)下測試,測試頻率范圍為0.1-100 kHz,信號幅度為10 mV。電化學測試后,采用掃描電鏡(SEM,德國ZEISS公司)對電池的微觀結(jié)構(gòu)進行表征。
3.1SEM分析
圖1是具有代表性的電解質(zhì)和電極截面的掃描電鏡照片,圖1(a)所示的是Ag-YSZ(含Ag的質(zhì)量比為65%),圖1(b)是70Ag-GDC(含Ag 70%)。由圖可見,電解質(zhì)是致密的,只有少量分布的閉孔,這些閉孔不會導致氣體分子直接穿過電解質(zhì),因此能夠保證電池的氣密性,使電池具有接近理論電動勢的開路電壓。圖1還表明,所制備的電極疏松多孔,厚度19-29 μm,電極和電解質(zhì)之間接觸良好。這些條件可使電池有正常的輸出。
圖1 以Ag-YSZ(a)和Ag-GDC(b)為電極的單電池測試前的橫截面掃描電鏡(SEM)圖Fig.1 Scanning electron microscope(SEM)images of cross-section of a single cell with(a)Ag-YSZ and (b)Ag-GDC electrodes
3.2對稱電極在空氣中的阻抗行為
一般情況下,SOFC的陰極是在空氣氣氛中工作,通過研究電極在空氣氣氛中的性能可了解其作為SOFC陰極的可行性。對不同組分的Ag-YSZ和Ag-GDC對稱電極在空氣中的交流阻抗譜進行了測試。圖2為典型的阻抗譜圖,每一弧形曲線的右端與橫軸的截距為對稱電極裝置的總電阻。曲線的左端與橫軸的截距代表對稱電極的歐姆電阻,曲線下方遮蓋的橫軸部分數(shù)值為對稱電極的極化電阻。圖2(a)表明,以65Ag-YSZ為電極的對稱電極裝置在空氣中800°C時的歐姆電阻(Ro)為0.76 Ω?cm2,極化電阻(Rp)為0.034 Ω?cm2。由于本實驗中采用的YSZ電解質(zhì)厚度為500 μm,歐姆電阻0.76 Ω?cm2主要來自電解質(zhì)。同時,從圖2(b)可知,以70Ag-GDC對稱電極的裝置在空氣中800°C時的Ro為0.73 Ω?cm2,與65Ag-YSZ的相當,Rp為0.13 Ω?cm2,是65Ag-YSZ的4倍多。由于對稱電極涉及到兩個完全相同的電極/電解質(zhì)界面,這些界面跟SOFC陰極的情況完全相同,因此作為陰極,65Ag-YSZ的極化電阻是相應對稱電極的二分之一,為0.017 Ω?cm2,70Ag-GDC的極化電阻為0.065 Ω?cm2。
圖2 在空氣氣氛下(a)65Ag-YSZ和(b)70Ag-GDC對稱電極的阻抗譜圖Fig.2 Electrochemical impedance spectra of(a)65Ag-YSZ and(b)70Ag-GDC symmetric electrodes in air atmosphere
從不同組分的對稱電極在空氣中的阻抗譜得到極化阻抗,如圖3所示??梢?,各對稱電極在不同溫度下的極化面積比電阻隨Ag含量的變化趨勢均是先逐漸變小,然后逐漸變大。由于這個實驗結(jié)果是在很小的偏壓(~10 mV)下測得的,基本上可以反映電極的活化極化24,而活化極化跟電極上氣體、離子導體和電子導體形成的三相界的數(shù)量密切相關(guān)25。若采用純的電子導體(例如Ag)作電極材料,那么三相界只能在多孔電極與電解質(zhì)接觸的界面上形成,數(shù)量(主要指三相界的長度)很少,導致提供電極反應的活性位點不足,因此反應速率慢,具體表現(xiàn)為極化電阻大。當在純的電子導體中添加部分離子導體時,電極的三相界就從電解/電解質(zhì)界面擴張到電極內(nèi)部,顯著增加三相界的數(shù)量,使電極的極化阻抗變小。然而,當離子導電相過多時,用于形成三相界的電子導電相的數(shù)量不夠形成更多的三相界,使極化電阻增加,當電極全部為離子導電相時,三相界為零,不能發(fā)生電極反應。因此,上述實驗結(jié)果是合理的。
圖3 (a)Ag-YSZ和(b)Ag-GDC對稱電極在空氣中的極化電阻(Rp)隨電極中Ag含量的變化曲線圖Fig.3 Curves of polarization resistance(Rp)vsAg content for(a)Ag-YSZ and(b)Ag-GDC symmetrical electrodes
從圖3中還可以看出,Ag-YSZ系列的極化電阻普遍低于Ag-GDC系列的,這個結(jié)果與預期的正相反:前期的研究表明,在LSM陰極材料中摻入GDC,對電極性能的改善作用(即降低極化電阻的程度)要比摻入YSZ的顯著得多26。電極的活性不僅僅取決于離子導電相(YSZ或GDC),還與電子導電相(LSM或Ag)和離子導電相(YSZ或GDC)的協(xié)同作用有關(guān)。當電子導電相材料均為Ag時,在空氣氣氛下,離子導電相YSZ與之能夠形成更好的催化協(xié)同作用,使電極的極化電阻更小,這種協(xié)同作用與前面提到的三相界的作用綜合起來,使得本實驗條件下,作為陰極材料,Ag-YSZ比Ag-GDC更合適。對于Ag-YSZ電極系列材料,Ag的含量為65%的材料(65Ag-YSZ)給出最低的極化阻抗,而對于Ag-GDC系列,Ag的最佳含量是70% (70Ag-GDC)。它們的阻抗譜圖就是示于圖2(a,b)。
3.3SOFC的電性能
3.3.1SOFC的輸出性能
分別采用Ag-YSZ和Ag-GDC系列電極中極化電阻最小的成分:65Ag-YSZ和70Ag-GDC作為電極,組裝成SOFC并對其輸出性能和在開路時的阻抗譜進行測試。電池的輸出性能示于圖4。
圖4 不同溫度時采用(a)65Ag-YSZ和(b)70Ag-GDC為電極的SOFC單電池以加濕氫氣(3%H2O)為燃料在不同溫度下的電化學輸出性能Fig.4 Electrochemical output Performance of a SOFC single cell with(a)65Ag-YSZ and(b)70Ag-GDC electrodes operated on humidified hydrogen (3%water)at different temperatures
圖4(a)顯示的是在700-800°C下,以65Ag-YSZ為電極(包括陰極和陽極)的SOFC單電池采用加濕氫氣(3%(φ,體積分數(shù))H2O)為燃料、空氣為氧化劑的電化學輸出性能。此電池在700、750和800°C的開路電壓分別為1.08、1.08和1.07 V,最大功率密度分別為74、122和200 mW?cm-2。圖3 (b)是以70Ag-GDC為電極的SOFC單電池的輸出性能曲線。此電池在700、750和800°C的開路電壓分別為1.10、1.09和1.09 V,最大功率密度分別為78、134和214 mW?cm-2。以上開路電壓的數(shù)值均接近氫氧燃料電池開路電壓的理論值(800°C時為1.1 V),說明電解質(zhì)足夠致密,電池密封效果很好。還可以看出,雖然65Ag-YSZ電極在空氣中的極化電阻明顯小于70Ag-GDC的,但采用65Ag-YSZ電極的SOFC性能普遍略小于采用70Ag-GDC電極的。由于SOFC的總電阻是歐姆電阻、陰極極化電阻和陽極極化電阻的和,因此可推測:70Ag-GDC作為陽極(在氫氣氣氛下)的極化電阻比65Ag-YSZ低。
3.3.2SOFC的阻抗譜
圖5分別示出了采用65Ag-YSZ和70Ag-GDC為電極的SOFC在開路狀態(tài)下的阻抗譜。由圖5(a)可知,以65Ag-YSZ為電極的SOFC單電池在700、750和800°C時的歐姆電阻分別為2.18、1.33和0.87 Ω?cm2,極化電阻分別為1.26、0.78和0.44 Ω?cm2。而圖5(b)表明,以70Ag-GDC為電極的單電池在700、750和800°C的歐姆電阻分別為1.72、1.07和0.72 Ω?cm2,極化電阻分別為1.02、0.45和0.24 Ω?cm2??梢姡捎?0Ag-GDC為電極的SOFC的歐姆電阻和極化電阻均比采用65Ag-YSZ的低。兩種電極電池的歐姆電阻的差別隨測試溫度的變化不大,在700、750和800°C分別為21%、20%和17%,但極化電阻的差別在溫度較高時差別較大,分別為19%、42%和45%。前面提到過,由于本實驗采用的電解質(zhì)較厚,歐姆電阻主要來自電解質(zhì),使用兩種不同電極的SOFC電池采用的是同樣的電解質(zhì),而且電極材料中含65%和70%(w)的Ag足以形成連通的導電網(wǎng)絡,因此兩種電池的歐姆電阻相差不大。由于對稱電極的數(shù)據(jù)表明兩種電極的在空氣中的歐姆電阻(陰極歐姆電阻)基本一致,因此電池中歐姆電阻少量的差別主要來自于陽極的歐姆電阻,因為GDC在氫氣氣氛下具有更高的電子導電率,因此含GDC的電極給出稍低的歐姆電阻。
圖5 不同溫度時以(a)65Ag-YSZ和(b)70Ag-GDC為電極的SOFC單電池在開路狀態(tài)下的阻抗譜Fig.5 Electrochemical impedance spectra of a SOFC single cell with(a)65Ag-YSZ and(b)70Ag-GDC electrodes measured at open circuit voltage condition at different temperatures
如前所述,65Ag-YSZ和70Ag-GDC作為陰極在800°C時的極化電阻分別為0.017和0.065 Ω?cm2,當它們同時被用作SOFC的陰極和陽極材料時,相應的SOFC的極化電阻是陰極和陽極極化電阻之和,而采用兩種電極的SOFC在800°C時的極化電阻分別為0.44和0.24 Ω?cm2,由此可得出65Ag-YSZ和70Ag-GDC作為采用加濕氫氣為燃料的SOFC陽極的極化電阻分別為0.42和0.18 Ω?cm2,明顯大于作為陰極的極化電阻。可見,盡管作為陰極時,65Ag-YSZ的極化電阻遠小于70Ag-GDC的極化電阻,但作為陽極時,前者的極化電阻明顯大于后者,這是采用70Ag-GDC作為電極的SOFC性能較高的根本原因。
采用YSZ為電解質(zhì),系統(tǒng)地測量了Ag-YSZ和Ag-GDC系列銀基陶瓷復合電極的阻抗譜,結(jié)果表明,在相同的Ag含量(質(zhì)量分數(shù))時,Ag-YSZ在空氣下的極化阻抗普遍小于Ag-GDC,且當Ag的含量為65%時,Ag-YSZ(65Ag-YSZ)的計劃阻抗最低,而Ag-GDC的最低極化阻抗時的Ag含量是70%(70Ag-GDC)。分別采用65Ag-YSZ和70Ag-GDC為電極制備SOFC單電池并使用加濕氫氣(3% (φ)H2O)燃料進行測試,800°C時,65Ag-YSZ電極的電池的開路電壓和最大功率密度分別為1.08 V和200 mW?cm-2,采用70Ag-GDC電極的電池分別為1.09 V和214 mW?cm-2,由于SOFC單電池是電解質(zhì)支撐,電解質(zhì)的厚度達~500 mm,上述功率密度已經(jīng)是很高的輸出,證明Ag-YSZ和Ag-GDC適合作為SOFC的電極。阻抗譜測試和分析的結(jié)果表明,雖然在空氣氣氛中Ag-YSZ的極化電阻比Ag-GDC低,但在加濕氫氣中,Ag-GDC的極化電阻比Ag-YSZ低,說明Ag-YSZ更適合用作陰極,而Ag-GDC更適合用作陽極。本研究不但提供了銀基陶瓷復合材料作為SOFC電極的重要數(shù)據(jù),還為研究SOFC電極的極化電阻提供了一種方法,即先測量陰極材料對稱電極在空氣中的阻抗譜,得到陰極的極化電阻,再測試SOFC的阻抗譜,得到SOFC的極化電阻,SOFC的極化電阻減去陰極的極化電阻就是陽極的極化電阻。
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Electrical Performance of Ag-Based Ceramic Composite Electrodes and Their Application in Solid Oxide Fuel Cells
YU Liang1,2YU Fang-Yong2YUAN Li-Li1CAI Wei-Zi1,2LIU Jiang1,2,*YANG Cheng-Hao1,2LIU Mei-Lin2,3,*
(1New Energy Research Institute,School of Environment and Energy,South China University of Technology,Guangzhou 510006, P.R.China;2School of Chemistry and Chemical Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510006,P.R. China;3School of Materials Science and Engineering,Georgia Institute of Technology,Atlanta,GA 30332-0245,USA)
Silver-based ceramic composite electrodes are expected to be widely applied in medium-or lowtemperature solid oxide fuel cells(SOFCs),SOFCs operated on carbon-containing fuels,and solid oxide electrolysis cells(SOECs).To optimize the composition of a silver-based ceramic composite electrode,the performances of Ag-YSZ(yttrium-stabilized zirconia)and Ag-GDC(gadolinium doped ceria)are investigated. First,they are used as electrode materials to make symmetric electrodes on a YSZ electrolyte,to which impedance spectra are measured in an ambient atmosphere to evaluate their feasibility as cathode materials. It was found that thatAg-YSZ reaches the lowest polarization resistance when the content ofAg is 65%(w,mass fraction),while for Ag-GDC,the value is 70%(w).The Ag-YSZ and Ag-GDC with the lowest polarization resistance are used as electrode materials to make SOFC single cells whose electrochemical performances are tested.The polarization resistance of an anode of the SOFCs can be obtained by subtracting the cathodepolarization resistance from the overall SOFC polarization resistance.Both the polarization resistance result and the output performance show that the performance of Ag-GDC is superior toAg-YSZ as an anode.In the present work,Ag-YSZ is more suitable as the cathode and theAg-GDC as the anode.The present work provides not only useful data for Ag-based composite electrodes but also a method for measuring the polarization resistance of SOFC anodes.
Solid oxide fuel cell;Electrode;Silver;Yttrium stabilized zirconia;Gadolinium doped ceria
September 28,2015;Revised:December 2,2015;Published on Web:December 3,2015.
O647
*Corresponding authors.LIU Jiang,Email:jiangliu@scut.edu.cn;Tel:+86-20-39381201.LIU Mei-Lin,Email:meilin.liu@mse.gatech.edu; Tel:+1-404-4062207.
The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(21276097).
國家自然科學基金(21276097)資助項目
?Editorial office ofActa Physico-Chimica Sinica
(1)Minh,N.Q.J.Am.Ceram.Soc.1993,76(3),563.10.1111/jace.1993.76.issue-3