Este trabajo fue financiado por el Departamento de energía, oficina de Energía Nuclear de Energía Nuclear Universidad programas (premio no. DE-NE0008425); Beca de postgrado de programa integrado de la Universidad (premio no. DE-NE0000113); el Ministerio de comercio, industria y &#38; energía, República de Corea, la eficiencia energética &#38; programa de tecnología del Instituto de Corea de energía tecnología evaluación y planificación (KETEP) (Nº 20142020104190) de la base de recursos. Publicación de este artículo fue financiado en parte por la Pennsylvania estado Universidad bibliotecas abierto acceso editorial fondo.

1. fabricación de componentes de la célula electroquímica <ol><li>fabricación de CaF binario 2-electrolito de AF 2 <ol><li>calcular la masa necesaria para cada componente del binario electrolito para una mezcla de 5.0 g ± 350.0 con 97 mol % CaF 2 y 3 mol % AF 2 (por ejemplo, g 333,4 de CaF 2 y 16,6 g de SrF 2).</li>
		<li>Medida hacia fuera y vierta la mezcla de sal en una botella de plástico de 1.5 L, junto con aproximadamente 1,3 kg de zirconia yttria-estabilizado fresado 25,0 ± 0,1 g de alcohol de polivinilo (PVA, aglutinante orgánico) y medios (3 mm de diámetro). Luego agregar el alcohol isopropílico (IPA) hasta que la botella es de 4/5 completo. Cierre el frasco y agitar manualmente su contenido durante aproximadamente 1 minuto distribuir los componentes de la mezcla de.</li>
		<li>Coloque la botella de plástico con la mezcla de sal en el molino de bolas (dos rodillos, 12.5 &#34; longitud). Ajustar la velocidad del molino de bola a 250 revoluciones por minuto (RPM) y molino para 24 h.</li>
		<li>Vierta la mezcla por un tamiz (malla 10) en un recipiente para separar los medios de molienda y la mezcla de sal. Usando una botella del apretón, enjuagar el tamiz ligeramente con 10 mL de API para capturar el resto de la mezcla.</li>
		<li>La mezcla homogénea molida de bola en una campana de humos para ~ 24 h en seco y luego moler la mezcla en un polvo fino usando un mortero y una maja. 
		Nota: Si el proceso de secado debe ser acelerado, la bandeja puede colocarse en una placa caliente a 373 K.</li>
		<li>Mida 130.0 ± 1,0 g de polvo de electrolitos y carga el polvo uniformemente en un troquel de pellet (75 mm de diámetro, altura 60 mm).</li>
		<li>Uniaxially usando una prensa de troquel, pulse el polvo con 30 MPa de presión durante 2 minutos para formar un verde de la pelotilla de 75 mm de diámetro y 17 mm de espesor. Para quitar el sedimento de la die pellet, invertir el die pellet, coloque un anillo de acero inoxidable (diámetro exterior (OD) de 101 mm, altura 35 mm, 4,8 mm de espesor) centrado en la parte superior del troquel de pellets con la pelotilla centrada dentro del anillo. Presione cuidadosamente el golpe de die pellet con ~1.0 bar de presión para quitar el sedimento en el die.</li>
		<li>Utilizar una broca pequeña (1 mm de diámetro) para crear agujeros roscado (~0.5 mm de profundidad) en la pastilla verde, uno en el centro y seis espaciados uniformemente 25.4 mm entre centros de taladro. Entonces utilice la broca grande (11,2 mm de diámetro) manualmente perforar siete pozos centrados en los agujeros golpeando ligeramente, cada uno aproximadamente de 12 mm de profundidad (aproximadamente 3/4 a través de la pelotilla).</li>
		<li>Para cada una de las tapas de los seis electrolito necesarias, mida 4,5 ± 0,5 g de polvo de electrolitos y cargar el polvo uniformemente en una matriz de pellet (diámetro de 19 mm, 50 mm de altura).</li>
		<li>Uniaxially Presione el polvo de electrolitos con 7,5 MPa durante 1 minuto en una pelotilla verde 19 x 10 mm de diámetro y espesor. Para quitar el sedimento de la die pellet, invertir el die pellet, coloque un anillo de acero inoxidable (37,5 mm OD, altura 30 mm, 3,5 mm de espesor) centrado en la parte superior del troquel de pellets con la pelotilla centrada dentro del anillo. Presione cuidadosamente el golpe de morir de pellets con ~1.0 bar de presión para eliminar el sedimento de la matriz. Utilice una broca pequeña (2 mm de diámetro) para perforar manualmente un agujero central a través de cada cap. 
		Nota: Verde pelotillas de 1.1.8. y 1.1.10. están listos para la sinterización para formar un electrolito sólido monofásico en los pasos siguientes.</li>
		<li>Para cada electrolito grande pellet y conjunto de seis casquillos pequeños electrolitos, cubra una placa de alúmina (10 cm de diámetro, 4,65 mm de espesor) con polvo de alúmina gruesa para facilitar la separación de la pastilla sinterizada de la placa de alúmina. Colocar las piezas de electrolitos sobre el polvo de alúmina que no tocan entre sí.</li>
		<li>Coloque el ensamblaje anterior de 1.1.11 en un horno de caja de alta temperatura. Las piezas con el siguiente perfil de calentamiento del sinter: 393 K por 12 h para eliminar la humedad, 823 K por 12 h para quemar el PVA y 1.273 K por 3 h a sinter, con tasas de 5 K/min de calentamiento. Luego enfríe a 298 K a un ritmo de 2,5 K/min</li>
	</ol></li> <li>Fabricación de los electrodos de la aleación de tierra alcalina <ol><li>en una guantera llena de argón, mida la masa de los dos componentes de la aleación binaria, con una masa combinada de al menos 6,0 g (p. ej., 5,6 g de Bi y 0,4 g de Ba para la aleación de Ba-Bi en el bario topo fracción x Ba = 0,10). Colocar en una bandeja y retire la guantera. 
		Nota: Los metales reactivos se almacenan bajo aceite mineral para prevenir la oxidación. Someter a ultrasonidos para eliminar el aceite mineral, las piezas de alkaline - earth-metal en acetona por 10 s.</li>
		<li>Coloque todas las piezas de metal en el centro del escenario arco-fundidor y asegurar el escenario.</li>
		<li>Tire el vacío en el compartimiento para 3 minutos hasta logra un vacío de aproximadamente -1,0 bar (presión manométrica) y entonces se llenan de argón a 0.0 bar (presión manométrica). Repita este procedimiento al menos tres veces para asegurar una atmósfera inerte de argón durante el proceso de fusión por arco.</li>
		<li>Cierre el escudo de protección para los ojos de la unidad de fusor arco y encienda la corriente para crear un arco voltaico estable entre la etapa y la punta de tungsteno de arco-fusor. Fundir las piezas de metal en una sola pieza homogénea exponiendo las piezas en el arco eléctrico. Suficiente de fusión puede confirmarse por la ausencia de fases separadas observables en la pieza de la aleación. 
		Nota: Si se se hubieran fundido elementos altamente reactivos, utilizando una corriente alta por más de ~ 5 s puede causar la vaporización del material y causar inconsistencias en la composición de la aleación.</li>
		<li>Después de derretir las piezas en una aleación única, apague la corriente y el fundidor de arco. Desatornille la etapa de la cámara de tirón de la aleación y la etapa del tornillo en la cámara del arc-melter. Repetir 1.2.3 - 1.2.5 tres veces para formar una aleación homogénea.</li>
		<li>Después de volver a fundir la aleación, desenrosque la etapa de la cámara de nuevo y romper o cortar la aleación en aproximadamente 3 a 6 piezas más pequeñas. Coloque las piezas en el escenario y la etapa del tornillo en la cámara del arc-melter. Volver a fundir las piezas en una sola pieza según pasos 1.2.3 - 1.2.5.</li>
		<li>Permitir que el sistema se enfríe durante 3-5 minutos separar la etapa del sistema de arco-fundidor y guarde la aleación en una bolsa de plástico. Coloque la bolsa bajo una atmósfera inerte de argón (p. ej., guantera) hasta el montaje final de celda electroquímica. 
		Nota: Para cada experimento, de dos piezas de aleación de electrodo de referencia y hasta cuatro trabajando piezas de aleación de electrodo de composiciones diferentes será necesarios.</li>
	</ol></li> <li>Preparación de los cables eléctricos de tungsteno y termopar <ol><li>cortar 6 alambres de tungsteno (1 mm de diámetro) de 46 cm de longitud. Manual de arena a lo largo de la longitud de cada cable para eliminar contaminantes de la superficie, como una capa de óxido, con papel de esmeril grano 100. Limpiar la superficie del alambre con toallitas impregnadas con acetona.</li>
		<li>Insertar el cable en un tubo de alúmina (diámetro de 6,35 mm, 30.5 cm de largo) que a fin de evitar cortocircuitos entre el eléctrico conduce y prueba de acero inoxidable de cámara durante la medición electroquímica. Dejar aproximadamente 12.7 cm en un extremo (parte inferior) como baralambre e para hacer contacto con los electrodos y 2.5 cm en el otro extremo (superior) para contacto eléctrico con el potenciostato conduce.</li>
		<li>Mezclar aproximadamente 3 g de epoxy de curado rápido y endurecedor para 1 min, utilizando el extremo de un palillo de madera.</li>
		<li>Con el alambre en el tubo, se aplican aproximadamente 3 g del epoxi hasta el extremo superior del tubo para sellarlo. Coloque el tubo y alambre vertical mediante un soporte de laboratorio y permitir que el epoxi cure por 15 minutos repetir para cada alambre de tungsteno (cable eléctrico).</li>
		<li>Inserte el extremo inferior de un termopar (tipo K) de 45 cm en la parte superior de un tubo de alúmina largo 30,5 cm nuevo y sellar el hueco entre el tubo de termopar y de alúmina mediante un epoxy de curado rápido similar a paso 1.3.4, dejando ~ 5 m m del termopar expuesto en la parte superior. Permitir que el epoxi cure por 15 minutos</li>
	</ol></li></ol> 2. Montaje de la celda electroquímica <ol><li>limpieza de los componentes de montaje de la celda electroquímica <ol><li>antes de la Asamblea de la celda electroquímica, lijar bien la superficie interna de la cámara de prueba de acero inoxidable con papel de esmeril grano 100 hasta allí es no hay contaminación visible en las superficies de acero inoxidable. Limpiar la cámara de prueba, tapa de la cámara y crisol de alúmina (8,2 cm de diámetro, altura de 3.0 cm) con agua desionizado y enjuague con IPA.</li>
		<li>Someter a ultrasonidos las piezas de los accesorios de vacío y los o-rings en isopropanol para ~ 10 minutos y deje secar dentro del horno de secado en ~ 373 K. Aplique una capa delgada de grasa para vacío en empaques para vacío mejora de la calidad. Luego entrar una guantera llenada de argón para la Asamblea a todos los componentes de configuración electroquímica.</li>
	</ol></li> <li>Carga de la celda electroquímica Asamblea <ol><li>colocar el electrolito sinterizado (paso 1.1) en el centro del crisol de alúmina en el portador de la cámara de prueba.</li>
		<li>Carga suficiente material de electrodo en cada pocillo, tal que la parte superior del material quede al ras con la superficie del electrólito. Dos pozos se llenan de material de electrodo de referencia (por ejemplo, Ba-Bi (x Ba = 0.05)) de idéntica composición. Luego se llenan cuatro pozos trabajando material del electrodo, cada bien con una composición diferente ( figura 2). En este paso, forma materiales de electrodo fundido por el arco cerca de la forma cilíndrica de los pozos de electrólito y perforar un centro a través del orificio (2 mm de diámetro) para la inserción eléctrica utilizando herramientas de maquinado (por ejemplo, mini torno, brocas, etc.) . 
		Nota: Reducir al mínimo la duración de la exposición de muestras de aire para mitigar la oxidación. Oxidación extensa es indicada por la presencia de una capa superficial (mate) no brillante en las muestras. Para quitar la capa de óxido, lijar la superficie de las muestras con papel de esmeril grano 100 y limpie con un trapo seco.</li>
		<li>Inserte el ensamblaje de la eléctrica (alambre de tungsteno con tubo de alúmina en 1.3) a través de la aspiradora conexión a Puerto de la tapa de la cámara, las placas deflectoras de la cámara, el agujero en una tapa de electrolito y en el orificio de un electrodo de aleación. Repita este procedimiento para todos los seis electrodos. Luego inserte el termopar a través del vacío último montaje de puerto y en el séptimo pozo en el centro. Firmemente le toque la superficie del electrólito con la aleación. Un conjunto completo se muestra en la figura 2 y figura 3. 
		Nota: Cada alambre de tungsteno firmemente debe tocar la superficie del electrolito. Si la aleación es demasiado frágil para ser trabajado a máquina, el alambre de tungsteno puede celebrarse presionado contra la aleación presionando el alambre de la aleación y asegurar su colocación apretando el vacío en el vacío montaje puerto</li>
		<li>Colocar el o-ring grande en la ranura de la parte superior de la cámara de vacío de acero inoxidable. Baje con cuidado las células electroquímicas en la cámara de prueba. Apriete bien todos los componentes del sello de vacío y la abrazadera de la cámara de prueba.</li>
	</ol></li> <li>Extracción de humedad y oxígeno del ensamblaje de la celda electroquímica para la medición de CEM <ol><li>cargar la cámara de prueba montado en un horno de crisol. Coloque dos capas superpuestas de aislamiento de fibra de vidrio alrededor de la superficie expuesta de la cámara de vacío que no está en el horno para asegurar una distribución uniforme de la temperatura en la celda electroquímica y prevenir la falla de los sellos de epoxy en la parte superior de la prueba cámara de.</li>
		<li>Conecte las tuberías de agua de enfriamiento para el enfriamiento tubo entrada y salida de los puertos en la cámara de ensayo ( figura 3 y figura 4).</li>
		<li>Fijar la vacío/argón a la entrada de la cámara de prueba y cerrar la válvula del puerto de salida. Evacuar la cámara de prueba hasta que la lectura del manómetro de vacío es inferior a 10 mtorr. 
		Nota: Si el nivel de vacío no puede alcanzar menos de 10 mtorr, comprobar componentes del sello de la cámara de prueba, incluyendo anillos, abrazaderas, accesorios de tubo y sellos de epoxy.</li>
		<li>Bajo vacío activo (&#60; 10 mtorr), aumentar la temperatura del horno a 373 K con una velocidad de calentamiento de 5 K/min durante 10 h; aumentar a 543 K con la misma velocidad de calentamiento y durante 10 h. Nota: el procedimiento de secado toma aproximadamente 20 h.</li>
		<li>Una vez terminado el procedimiento de secado anterior, purgar la cámara con argón de alta pureza. Repetición de evacuación (&#60; 10 mtorr) y purga de argón (~ 1 atm) al menos tres veces para asegurar una atmósfera inerte para la operación a temperaturas elevadas.</li>
		<li>Después de que el argón última purga, abra las válvulas de la entrada y salida de la cámara de prueba y ajuste el medidor de flujo para mantener el flujo de argón continuo de 50,0 mL/min a presión atmosférica ambiental (~ 1 atm).</li>
	</ol></li></ol> 3. Medidas electroquímicas <ol><li>establecer contacto eléctrico entre el ensamblaje de la célula y potenciostato <ol><li>Conecte el cable de electrodo de contador y el cable del electrodo de referencia del potenciostato una vez que el horno ha alcanzaron 543 K. 
		Nota: Cada cable del electrodo (por ejemplo, electrodo de referencia, contraelectrodo, electrodo de trabajo, cables de electrodos de detección) tiene un tapón en el extremo del cable que permite la conexión eléctrica.</li>
		<li>Conecte la pinza cocodrilo del cable de electrodo de referencia del potenciostato y clip en el cable eléctrico del electrodo de referencia del conjunto celular.</li>
		Caja de enchufe <li>en los cinco cables de electrodo de trabajo, uno en cada puerto 1 a 5, en el interruptor de multiplexación (MUX). Coloque una pinza a cada cable de electrodo de trabajo y conectar cada pinza para el cable eléctrico para cada electrodo de trabajo de la Asamblea de la celda electroquímica, lo que permite mediciones de voltaje secuencial de otro pariente de cinco electrodos el electrodo de referencia. 
		Nota: Un electrodo de trabajo debe poseer la misma composición que el electrodo de referencia. La diferencia de voltaje entre estos dos electrodos idénticos debe ser aproximadamente cero y debe ser supervisada durante la medida de toda. Una diferencia de voltaje a menos de 2 a 3 mV indica la estabilidad y la confiabilidad del sistema de electrodo de referencia para las mediciones de emf precisa.</li>
		<li>Acople un extremo de un cable de tierra a la cámara de prueba de acero inoxidable y enchufe el otro extremo directrabajo en el puerto de tierra de un enchufe eléctrico. 
		Nota: Este procedimiento suprime con eficacia el ruido eléctrico proveniente del horno de resistencias porque la cámara de prueba de acero inoxidable sirve como una jaula de Faradaic durante las mediciones electroquímicas.</li>
		<li>Crear un programa utilizando el software electroquímico para medir el circuito abierto potencial (OCP) para cada electrodo de trabajo secuencialmente usando el software de potenciostato bajo modo de caracterización. 
		Nota: El programa personalizada, disponible por solicitud, las medidas y registros el ACO de cada electrodo de trabajo, rotando a través de cada electrodo de trabajo secuencialmente en el tiempo, con cada rotación durante 15 minutos. El programa debe girar a través del conjunto de electrodos de trabajo a registramos mediciones de OCP en cada incremento de temperatura de.</li>
		<li>Aumentar la temperatura del horno de 543 K a K 1.073 en 5,0 K/min, donde el electrolito se convierte en conductora iónica para mediciones de CEM. 
		Nota: En 1.073 K, el electrodo de referencia debe ser completamente fundido establecer estable contacto eléctrico con el electrolito y eléctrico para mayor estabilidad de los potenciales de electrodo de referencia durante las mediciones de emf.</li>
	</ol></li> <li>Ajuste el perfil térmico del horno ciclos térmicos durante la medición de CEM Nota: el rango de temperatura es contingente sobre el comportamiento de la transición de fase de las composiciones de electrodo (p. ej., fusión temperatura) así como la reactividad de la composición de la aleación. Un perfil de temperatura típico para el estudio de los sistemas de la aleación de Sr-Bi, entre 723 y 1.073 K y Ba-Bi se da abajo.
	Regulador de <ol><li>programa el horno para reducir la temperatura del horno de 1.073 K a 723 K y aumente de 723 K a 1.073 K en intervalos de 25 K en una tasa de rampa de ± 5 K/min. En cada paso (cada intervalo de 25 K) de temperatura, mantener la temperatura por 1-2 h para permitir que los componentes alcanzar el equilibrio térmico y electroquímico. 
		Nota: Equilibrio térmico se alcanza cuando la temperatura de la célula permanece constante dentro de ± 1 K en cada paso de la temperatura como por los datos de termopar indicados por el sistema de adquisición (DAQ) de datos asociados.</li>
	</ol></li> <li>Colección de datos de temperatura y emf <ol><li>registrar la temperatura de la celda electroquímica durante todo el ciclo termal utilizando un sistema DAQ termopar; incluyen los límites de temperatura superior e inferior del horno programa y el tipo de termopar. Comenzar el programa de medición de CEM en el mismo tiempo que el registro de la temperatura. 
		Nota: La medición de la OCP de cada electrodo de trabajo se mide contra el electrodo de referencia. La medida de ACO entre los dos electrodos de referencia debe ser menos de 2-3 mV.</li>
		<li>Utilizar la temperatura de la célula y las mediciones de la OCP de cada electrodo de trabajo para determinar los valores de emf de cada aleación de metal de tierra alcalina-líquido en función de la temperatura. Los valores de la OCP a cada temperatura son los valores de emf entre los electrodos de trabajo y referencia.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

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</ol>

Los autores no tienen conflictos de interés divulgar acerca del material en la publicación.

La célula emf en esta obra utiliza un CaF2-base de materiales sólidos de electrolito y electrodo en composiciones fijas, en comparación a un celular de emf que usa una técnica de valoración culombiométrico donde se cambia la composición de electrodos a una temperatura constante. Con la titulación culombiométrico, la composición del electrodo se determina por la ley de Faraday, suponiendo perfecta eficiencia coulombic. Sin embargo, altamente reactivos metales alcalinotérreos son moderadamente solubles (por ejemplo, solubilidad en Ba ~ 15 mol % en volver2) en sus propias sales de haluro, que puede promover la conducción electrónica a través del electrolito y prevenir un control preciso de la composición del electrodo durante la titulación culombiométrico7,13. La celda electroquímica en este trabajo opera con materiales del electrodo en las composiciones fijas, eliminando así la incertidumbre en contabilidad compositivo por titulación culombiométrico y permite mediciones de emf precisa de aleaciones de tierra alcalina. Además, la única célula electroquímica en este trabajo mide los valores de emf de composiciones de aleación cuatro simultáneamente en el mismo experimento para acelerar la evaluación de las propiedades termodinámicas en una amplia gama de composiciones y temperaturas.
Como el fundidor de arco se utiliza para fabricar aleaciones binarias, es posible que la composición final de las aleaciones puede diferir de la composición inicial debido a la alta temperatura del arco eléctrico y las altas presiones de vapor de los metales. Para reportar con precisión la relación emf temperatura de aleaciones binarias, su composición fue confirmada usando inductivo acoplado a espectroscopia de emisión atómica de plasma (ICP-AES), como se muestra en la tabla 3 para el sistema de Ba-Sb12.
Antes de secar los componentes de la celda electroquímica según paso 2.3.4, dificultades en la obtención de vacío de alta calidad (&#60; 10 mtorr) puede ocurrir. La junta tórica en la configuración de la cámara de vacío no puede ser colocado correctamente en su ranura de acero inoxidable. También puede haber una brecha en los sellos de epoxy de los tubos de alúmina, que se puede aplicar epoxi adicional para tapar posibles fugas. Durante las mediciones de emf, si los conductores eléctricos pierden el contacto con las aleaciones A-b y se observan grandes fluctuaciones en los valores de emf, contacto puede restablecerse con las aleaciones girando suavemente el tubo de alúmina, tal modo mojando la aleación líquida al plomo.
De vez en cuando los valores de emf pueden presentar una gran histéresis entre la refrigeración y calefacción ciclos. En general, puede originar una histéresis de los valores de emf entre ciclos de refrigeración/calefacción de (1) la degradación del electrólito con composiciones reactivas de electrodo, especialmente en altas concentraciones alcalinas a la tierra; (2) la degradación de los materiales del electrodo debido a la vaporización a temperaturas elevadas y la oxidación con el oxígeno residual en la cámara de prueba; o (3) comportamiento de fase de no equilibrio de los materiales del electrodo, incluyendo undercooling efectos y la formación de fases metaestables durante el enfriamiento.
Cuando la reacción de degradación entre el electrodo y el electrolito es evidente, el montaje experimental puede ser modificado para mitigar la degradación de la celda electroquímica por la disminución de la temperatura máxima de funcionamiento. En presencia de efectos el undercooling, valores de CEM obtenidos durante el ciclo de calentamiento pueden ser utilizados en la determinación de propiedades termodinámicas de equilibrio. Cuando la formación de fases metaestables provoca una histéresis en las mediciones de emf, el comportamiento de fase de materiales del electrodo requiere un escrutinio a través de técnicas complementarias, por ejemplo, caracterización estructural por DRX, análisis de los componentes de la fase de por microscopía electrónica (MEB) con espectroscopia energía-dispersiva (EDS) y las temperaturas de transición de fase por DSC. Datos de la transición de fase también pueden ser difíciles de obtener con la técnica de medición de CEM descrito arriba 1.223 K, como la CaF electrolito de2-AF2 puede comenzar a degradar.
La técnica de medición de CEM en este trabajo se puede utilizar para determinar las propiedades termodinámicas empíricas de binarias aleaciones de metales de tierra alcalina-líquido, como actividad, la entropía molar parcial, entalpía molar parcial y las temperaturas de transición de fase. Estos datos termodinámicos son utilizados como una base experimental para el refino de diagramas de fase binarios de aleaciones de tierra alcalina con técnicas complementarias (DRX, DSC y SEM), como se ejemplifica en la figura 85. Basado en los valores de actividad de cada alkaline - earth-metal (A = Ca, Ba y Sr) en metales líquidos (B = Bi y Sb), se puede aprovechar la fuerza de las interacciones atómicas entre los elementos alcalinotérreos y metales líquidos para separar electroquímicamente alcalinotérreos productos de la fisión de soluciones de sal fundidas.

Las medidas de fuerza electromotriz (f.e.m.) directamente pueden determinar el cambio de energía de libre de Gibbs molar parcial de una reacción química y proporcionar propiedades termodinámicas exactas como actividad, la entalpía molar parcial y la entropía molar parcial1. La adquisición de datos termoquímicos es crucial para una variedad de tópicos de investigación en la comunidad de materiales, desde el refinamiento de los diagramas de fases múltiples componentes, a la validación experimental del primer principio materiales de modelado, a la síntesis de nuevos intermetálicas especies con propiedades ventajosas. Recientemente, Kim et al utilizó mediciones de emf para evaluar la viabilidad de usar electrodos de metal líquidos para separar especies de alcalinotérreos de electrólitos sal fundida2.
Separación electroquímica mediante sales fundidas (p. ej., KCl LiCl) es una prometedora tecnología para separar el uranio y metales transuranic de combustible nuclear usado para reciclar3. Como combustible usado se procesa como un ánodo en sales fundidas, productos de la fisión con potenciales de reducción estándar más bajos que el uranio se oxidan y se acumulan en la sal fundida como iones disueltos (por ejemplo, Ba2 +, Sr2 +, Cs+y tierras raras cationes del metal)4. En consecuencia, el electrolito fundido sal debe ser reemplazado periódicamente o procesado más lejos separados los productos de fisión acumulados4. De particular preocupación son productos de la fisión alcalino/alcalino-tierra (Ba2 +, Sr2 +y Cs+) porque estos iones exhiben los potenciales de reducción estándar más bajo entre los cationes constituyentes, haciéndolos difíciles de separar de la solución de sal fundida.
Sin embargo, Lichtenstein et al recientemente demostraron que bario muestra baja actividad termodinámica en bismuto líquido (8.7 x 10-12 en el bario topo fracción xBa (en Bi) = 0.05, 1.123 K), lo que implica fuertes atómica interacciones entre bario y bismuto5. Kim et al observaron que estas interacciones causaron un cambio en el potencial de deposición de iones de bario en un electrodo de bismuto líquido (-3.74 V a-2.49 V vs Cl–/Cl2(g)), dando por resultado una deposición preferencial de bario de la solución electrolítica (volver2- LiCl-CaCl2- NaCl, 16-29-35-20 mol %) a 773-973 K6. Este cambio en el potencial de deposición podría aprovecharse mediante el uso de electrodos de metal líquidos para separar selectivamente productos de la fisión alcalino/alcalino-tierra del electrolito utilizado para el tratamiento electroquímico de combustible nuclear usado. Para determinar la viabilidad de la separación de productos de la fisión alcalino/alcalino-tierra de electrolito sal fundida, se deben determinar las propiedades termodinámicas de estos elementos en los posibles metales líquidos (por ejemplo, Bi, Sb).
En estudios previos, Delcet et al utilizaron culombiométrico valoración para determinar las propiedades termodinámicas de aleaciones binarias (por ejemplo, Ba-Bi, Ba-Sb, Ba-Pb)7. Para las aleaciones de Ba-Bi hasta xBa = 0.50, empleó culombiométrico titulación utilizando un electrólito de monocristal BaF2 en 1.123 K y observó valores de actividad comparable de bario en bismuto (2.4 x 10-12 a x BA (en Bi) = 0.05, 1.123 K). Sin embargo, se informó que los resultados son inexactos debido a la incertidumbre en cuanto a contenido de bario en las aleaciones binarias. Metal de bario es altamente reactivo y solubilidad de sus sales de haluro (~ 15 mol % en volver2 K 1.163), que pueden causar mayor conducción electrónica en la sal de haluro en temperaturas más altas y llevar a contabilidad inexacta compositiva durante culombiométrico Valoración. Para determinar las propiedades termodinámicas (p. ej., exceso parcial molar Gibbs energía libre, entalpía molar parcial, la entropía molar parcial) de aleaciones binarias que contienen elementos altamente reactivos, se utilizó el método de emf que se describe en este protocolo.
Termoquímicos propiedades de aleaciones binarias pueden determinarse midiendo el equilibrio celular potencial Ecelular (es decir, emf) de una aleación (A-B) en relación con el potencial de referencia a puro metal. Entonces, el potencial de la célula está directamente relacionado con el cambio en la energía de libre de Gibbs molar parcial o potencial químico de la reacción de la célula según la relación de Nernst (<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/56718/56718eq1.jpg">).
Para las mediciones de emf alcalino-de aleaciones de tierra en este trabajo, los iones de flúor conduce CaF2 es elegido como el electrolito base porque el Ca2 +/Ca potencial redox (E0 =-5.59 V) es más negativa que otra potenciales redox de alcalinotérreos (e.g., <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/56718/56718eq2.jpg"> </img>, <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/56718/56718eq2.jpg"> versus F–/f2(g) a 873 K) en el fluoruro de sistema8. Esto implica que el CaF2 es más químicamente estable que los otros alcalinotérreos fluoruro AF2 (A = Sr o Ba), y que Ba2 + o iones2 + Sr son las especies electroactivas en el CaF2- BaF2 y CaF 2- SrF2 electrolito, respectivamente. Utilizando la alta estabilidad de CaF2, que reduce al mínimo reacciones secundarias con Ba o Sr aleaciones así como de la conductividad iónica de CaF2 a temperaturas elevadas, la CaF binario monofásica electrolito de2-AF2 fue empleado con éxito para medir con precisión la emf de aleaciones de metales de tierra alcalina-líquido binario. Confirmación de la formación del electrolito binario monofásica se confirma con análisis de difracción de rayos x (DRX) en figura 19.
Para medir la célula potencial de una aleación de alcalinotérreos, la siguiente celda electroquímica se implementó utilizando un estado sólido binario CaF2-AF2 (97 mol % CaF2, 3 mol % AF2) electrólito10:
<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/56718/56718eq4.jpg">,
donde el puro alkaline - earth-metal A (A = Ca, Sr y Ba) actúa como electrodo de referencia (RE), solid CaF2-AF2 como el electrólito, fijo aleaciones de composición A-B como electrodos de trabajo (nosotros) y B es un metal líquido de candidato como Bi o Sb. Las reacciones de la semipila de la celda electroquímica son: 
<img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/56718/56718eq5.jpg"> 
<img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/56718/56718eq6.jpg">
y la reacción general de la célula es: 
<img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/56718/56718eq7.jpg">
donde e– es un electrón en las reacciones de la célula y z es el número de electrones intercambiados (z = 2 elementos alcalinotérreos). Para esta reacción global, el cambio en la energía de libre molar parcial de Gibbs del metal A, <img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/56718/56718eq8.jpg"> </img>, está dada por: 
<img alt="Equation 9" src="/files/ftp_upload/56718/56718eq9.jpg"> donde<img alt="Equation 10" src="/files alt="Equation 10" src=""></img alt="Equation 10" src="/files>/ ftp_upload/56718/56718eq10.jpg "/ &gt; es la parcial energía de libre de Gibbs molar de un metal en el metal B, <img alt="Equation 11" src="/files/ftp_upload/56718/56718eq11.jpg"> libre de Gibbs estándar energía de puro un metal, R es la constante de gas ideal, T es la temperatura en Kelvin y unA es la actividad de la A en el metal B. La emf medido de la célula, Ecelular, está directamente relacionada con el cambio en la energía de libre molar parcial de Gibbs de la A por la ecuación de Nernst, 
<img alt="Equation 12" src="/files/ftp_upload/56718/56718eq12.jpg"> donde F es la constante de Faraday.

<table><tbody><tr><td>1 L bottle</td><td>US Plastic</td><td>69032</td><td>HDPE, wide mouth</td></tr><tr><td>Acetone, 99.5%</td><td>Alfa Aesar</td><td>30698</td><td>ACS Grade</td></tr><tr><td>Alumina dish</td><td>AdValue Technology</td><td>AL-4120</td><td>81 mm OD, 30 mm height</td></tr><tr><td>Alumina plate</td><td>AdValue Technology</td><td>AL-D-82-6</td><td>10 cm in diameter, 4.65 mm thickness</td></tr><tr><td>Alumina powder</td><td>AluChem</td><td></td><td>AC99 tabular alumina</td></tr><tr><td>Alumina tube</td><td>Coorstek</td><td>66631-12.0000</td><td>0.25 in. OD, 12 in. length</td></tr><tr><td>Arc-Melter</td><td>Edmund Buhler GmbH</td><td>MAM1</td><td></td></tr><tr><td>Argon, 99.999%</td><td>Praxair</td><td>AR 5.0UH-K</td><td>Ultrahigh purity</td></tr><tr><td>Ball mill</td><td>Norton Chemical Process Products Corporation</td><td>CF-70109</td><td>6 sets of 2 12.5 in. rollers, RPM 1725/1425</td></tr><tr><td>Barium</td><td>Alfa Aesar</td><td>653</td><td>99.2% purity</td></tr><tr><td>Barium fluoride</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>652458</td><td>99.999% purity</td></tr><tr><td>Bismuth</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>556130</td><td>99.999% purity</td></tr><tr><td>Boron nitride</td><td>Saint-Gobain</td><td>AX-05</td><td></td></tr><tr><td>Calcium fluoride</td><td>Alfa Aesar</td><td>11055</td><td>99.95% purity</td></tr><tr><td>Cotton tip applicator</td><td>Dynarex</td><td>4301</td><td>100 count, 3 in. long</td></tr><tr><td>Die press</td><td>Carver, Inc.</td><td>3850</td><td>Clamping force: 12 tons; Platens: 6&amp;nbsp; x 6 in.</td></tr><tr><td>Drill bit 29 piece set</td><td>Chicago-Latrobe</td><td>45640</td><td>1/16 in. - 1/2 in. x 1/64 in.</td></tr><tr><td>Drying pan</td><td>Pyrex</td><td>5300114</td><td>15.5 in. x 9.5 in. x 2.25 in.</td></tr><tr><td>Emery paper</td><td>McMaster-Carr</td><td>4681A21&amp;nbsp;</td><td>Grit size: 100</td></tr><tr><td>Fiberglass insulation</td><td>McMaster-Carr</td><td>9346K38</td><td></td></tr><tr><td>Flowmeter</td><td>Brooks</td><td>MR3A00SVVT</td><td>Range: 0.1 to 1 standard cubic feet per hour (SCFH) of Air</td></tr><tr><td>Gas bubbler</td><td>Ace Glass</td><td>8761-10</td><td></td></tr><tr><td>High temperature box furnace</td><td>Thermolyne</td><td>F48020-80</td><td>48000 Furnace, 8-segment program, Max. 1,200 &amp;deg;C</td></tr><tr><td>High temperature crucible furnace</td><td>Mellen</td><td>CC12-6X12-1Z</td><td>6 in. ID, 12 in. depth. Max temp 1,200 &amp;deg;C. 208 V</td></tr><tr><td>High vacuum grease</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>Z273554</td><td>Brand: Dow Corning</td></tr><tr><td>Inert atmopshere glovebox</td><td>Mbraun</td><td>MB200</td><td></td></tr><tr><td>Isopropyl alcohol</td><td>Macron Chemicals</td><td>3032-21</td><td>ACS Grade</td></tr><tr><td>Large pellet die set</td><td>MTI Corporation</td><td>EQ-Die-75D</td><td></td></tr><tr><td>Polyvinyl alcohol, 99+%</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>341584-5KG</td><td>Hydrolyzed, molecular weight (MW): 89,000-98,000</td></tr><tr><td>Potentiostat</td><td>Autolab</td><td>PGSTAT302N</td><td></td></tr><tr><td>Potentiostat-multiplexing switch box</td><td>Autolab</td><td>MUX SCANNER16 F/16 X WE</td><td>Multiplexer (MUX) SCANNER16</td></tr><tr><td>Potentiostat control software</td><td>NOVA</td><td></td><td>NOVA 1.11</td></tr><tr><td>Precision mini lathe</td><td>Harbor Freight Tools</td><td>93212</td><td>Brand: Central Machinery&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Quick cure epoxy</td><td>Grainger</td><td>5A462</td><td>Brand: Devcon</td></tr><tr><td>Recirculating chiller</td><td>VWR International</td><td>13271-204</td><td>Model: 1175PD</td></tr><tr><td>Small pellet die set</td><td>MTI Corporation</td><td>EQ-Die-18D-B</td><td></td></tr><tr><td>Sonicator</td><td>VWR International</td><td>97043-968</td><td></td></tr><tr><td>Squeeze bottle</td><td>VWR International</td><td>16650-022</td><td>LDPE, 500 mL</td></tr><tr><td>Stainless steel mesh sieve</td><td>Amazon</td><td></td><td>10 mesh, 2 mm holes</td></tr><tr><td>Strontium</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>343730</td><td>99% purity</td></tr><tr><td>Strontium fluoride</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>450030</td><td>99.99% purity</td></tr><tr><td>Thermocouple</td><td>Omega</td><td>KMQXL-125U-18</td><td>K-type thermocouple</td></tr><tr><td>Thermocouple acquisiton board</td><td>National Instruments</td><td>NI-9211</td><td></td></tr><tr><td>Tungsten wire</td><td>ThermoShield</td><td>88007-0.100</td><td>99.95% wire</td></tr><tr><td>Vacuum pump</td><td>Pfeiffer</td><td>PK D56 707</td><td>Duo Line 1.6</td></tr><tr><td>Wipes</td><td>Kimtech</td><td>S-8115</td><td>ULine distributor</td></tr><tr><td>Wire cutters</td><td>McMaster-Carr</td><td>5372A4</td><td></td></tr><tr><td>Yttria-stabilized zirconia milling media</td><td>Tosoh, USA</td><td></td><td>3 mm diameter</td></tr></tbody></table>

determination of thermodynamic properties of alkaline earth-liquid metal alloys using the electromotive force technique

Una celda electroquímica novela basada en un electrolito de estado sólido de2 de CaF ha sido desarrollada para medir la fuerza electromotriz (emf) de aleaciones de metales de tierra alcalina-líquido binario como funciones de composición y temperatura con el fin de adquirir datos termodinámicos. La celda consta de un químicamente estable estado sólido CaF2-AF2 electrolitos (donde A es el elemento de tierra alcalina como el Ca, Sr y Ba), con Aleación binaria de A-B (donde B es el metal líquido como Bi o Sb) trabajando electrodos y un puro de un metal electrodo de referencia. Se recogen datos de EMF en un rango de temperatura de 723 K 1.123 K en incrementos de 25 K para múltiples composiciones de aleación por experimento y los resultados son analizados para obtener valores de actividad, las temperaturas de transición de fase y las entropías molares parciales/entalpías para cada composición.

Figura 5 muestra las mediciones de emf a enfriamiento y recalentamiento de una celda electroquímica: Ba-Bi (xBa = 0.05) | CaF2BaF -2| BA-Bi (xBa = 0.05, 0.10 y 0.20), donde una aleación Ba-Bi xBa = 0,05 sirve como el electrodo de referencia5.
La diferencia de potencial entre las dos aleaciones Ba-Bi idénticas a xBa = 0,05 sigue siendo inferior a 2 mV durante la toda medida, demostrando la estabilidad y la confiabilidad del electrodo de referencia. Para las composiciones de aleación xBa = 0.10 y xBa = 0.20, es obtener un perfil simétrico emf durante la calefacción y refrigeración de los ciclos, indicando valores de emf reproducibles durante ciclos térmicos. En cada paso (cada intervalo de 25 K) de temperatura, la temperatura de la celda y el valor del emf de la célula llegar a electroquímica y térmica estacionaria en menos de 1-2 h (figura 5)5.
Para determinar las propiedades termodinámicas de las aleaciones de Ba-Bi contra el estado estándar de puro Ba(s), los valores de emf de la Ba-Bi (xBa = 0.05) electrodo de referencia de aleación debe calibrarse con respecto al Ba puro. Los valores de emf del electrodo de referencia con respecto a Ba pura se determinan mediante el uso de una celda electroquímica separada: Ba(s) | CaF2BaF -2| BA-Bi (xBa = 0.05) y los resultados se presentan en la figura 6. Usando el lineal ajuste de esta medida en xBa = 0,05 (figura 6), el CEM valores de aleaciones Ba-Bi (Ecelular) se determinan en relación con puro metal Ba5.
Los valores de emf de aleaciones Ba-Bi, en relación con Ba(s) puro, se trazan en función de la temperatura en cada composición del electrodo, como se muestra en la figura 7 para las aleaciones de Ba-Bi (xBa = 0.05 - 0.25)5. De ajustes lineales de datos emf graficados versus temperatura, el cambio en la entropía molar parcial se calculó utilizando la siguiente ecuación termodinámica: 
<img alt="Equation 13" src="/files/ftp_upload/56718/56718eq13.jpg"> y la entalpía molar parcial de bario en bismuto puede calcularse usando las relaciones termodinámicas como la ecuación de Gibbs-Helmholtz, como se muestra a continuación. Los resultados se resumen en la tabla 15. 
<img alt="Equation 14" src="/files/ftp_upload/56718/56718eq14.jpg">
También se determinó la actividad de bario utilizando los valores de emf recogidos y la ecuación de Nernst: 
<img alt="Equation 15" src="/files/ftp_upload/56718/56718eq15.jpg"> Los resultados se resumen en la tabla 25.
Valores de EMF para aleaciones de Ba-Bi (xBa = 0.05 - 0,80) también fueron utilizados para determinar las temperaturas de transición de fase para cada composición de la aleación. Junto con diferencial Análisis calorimetría (de barrido DSC) fase transición de datos, inductivamente acoplada a plasma emisión atómica (ICP-AES) la espectroscopia datos, similares a la mostrada en la tabla 312y estructura cristalina datos de análisis de DRX, emf datos fueron utilizados para refinar el diagrama de fases de Ba-Bi más reciente reportado por Okamoto (figura 8)5,11.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56718/56718fig1.jpg"> 
Figura 1: CaF monofásica2- SrF2 electrolitos DRX los espectros. Espectros de DRX (normalizados al pico más intenso para cada espectro) de CaF2- SrF2 electrolitos antes y después de la sinterización. Pura (*) CaF2 y SrF2 patrones de difracción se proporcionan para la comparación. Esta figura ha sido modificada de Smith et al. 9 <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56718/56718fig1large.jpg" target="_blank">por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56718/56718fig2.jpg"> 
Figura 2: celda electroquímica de aleaciones de metales de tierra alcalina líquida A-B. Un esquema de la Asamblea de celda electroquímica utilizada para las mediciones de emf con electrolitos, tapas de electrolito, materiales del electrodo, plomos de tungsteno y termopar (TC). Dos de las aleaciones A-b 6 son los electrodos de referencia y 4 electrodos de trabajo. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56718/56718fig2large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56718/56718fig3.jpg"> 
Figura 3: configuración electroquímica de las mediciones de emf. Una ilustración de los componentes de la celda electroquímica y los componentes asociados para condiciones de funcionamiento adecuados. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56718/56718fig3large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56718/56718fig4.jpg"> 
Figura 4: Diagrama de la instrumentación de la instalación experimental de. Un esquema de enfriamiento de agua (sólido, atrevido), argón (sólido fino) y vacío (discontinua) flujo a través del sistema de medición de CEM. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56718/56718fig4large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56718/56718fig5.jpg"> 
Figura 5: Mediciones de emf electroquímico de aleaciones Ba-Bi (xBa = 0.05 - 0.20). Fuerza electromotriz (E1) y la temperatura se miden en función del tiempo de enfriamiento y recalentamiento de un Ba-Bi (xBa = 0.05) | CaF2BaF -2| BA-Bi (xBa = 0.05, 0.10 y 0.20) celular. Esta figura ha sido modificada desde Lichtenstein et al. 5 <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56718/56718fig5large.jpg" target="_blank">por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56718/56718fig6.jpg"> 
Figura 6: Aleación de Ba puro vs Ba-Bi(xBa = 0.05) calibración del valor de emf. Fuerza electromotriz (EII) medido en función de la temperatura con un Ba(s) | CaF2BaF -2| BA-Bi (xBa = 0.05) celular. Esta figura ha sido modificada desde Lichtenstein et al. 5 <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56718/56718fig6large.jpg" target="_blank">por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56718/56718fig7.jpg"> 
Figura 7: Mediciones de Emf de aleaciones Ba-Bi (xBa = 0.05 - 0.25). Aleaciones de fuerza electromotriz (Ecelular) como una función de la temperatura para Ba-Bi xBa = 0.05, 0.10, 0.15, 0.20 y 0.25 basado en un Ba(s) | CaF2BaF -2| BA-Bi (XBa = 0.05 - 0.25), donde las líneas sólidas representan ajustes lineales. Esta figura ha sido modificada desde Lichtenstein et al. 5 <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56718/56718fig7large.jpg" target="_blank">por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56718/56718fig8.jpg"> 
Figura 8: Diagrama de fase de Ba-Bi. Determinado experimentalmente Ba-Bi fase diagrama basado en mediciones de emf en complemento con DSC y DRX caracterización de aleaciones Ba-Bi, donde (rt) y (ht) representan la temperatura ambiente y alta temperatura, respectivamente. Esta figura ha sido modificada desde Lichtenstein et al. 5 <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56718/56718fig8large.jpg" target="_blank">por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>x Ba</td>
			<td>T (K)</td>
			<td>∂E /∂ decélulasT (μV K\u20121)</td>
			<td>∂(ECell/T)/∂(1/T) (mV)</td>
			<td><img alt="Equation 16" src="/files/ftp_upload/56718/56718eq16.jpg">(J mol\u20121 K\u20121)</td>
			<td><img alt="Equation 17" src="/files/ftp_upload/56718/56718eq17.jpg">(kJ mol\u20121)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0.05</td>
			<td>707-938</td>
			<td>197 ± 6</td>
			<td>1011 ± 5</td>
			<td>38</td>
			<td>-195.1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0.1</td>
			<td>704-1048</td>
			<td>137 ± 1</td>
			<td>1031 ± 1</td>
			<td>26.4</td>
			<td>-199</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0.15</td>
			<td>728-1048</td>
			<td>125 ± 2</td>
			<td>1005 ± 2</td>
			<td>24.1</td>
			<td>-193.9</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0.2</td>
			<td>809-1048</td>
			<td>94 ± 7</td>
			<td>984 ± 6</td>
			<td>18.1</td>
			<td>-189.9</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0.25</td>
			<td>881-1048</td>
			<td>73,4 ± 5</td>
			<td>961 ± 5</td>
			<td>14.2</td>
			<td>-185.4</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0.25</td>
			<td>704-881</td>
			<td>-480 ± 14</td>
			<td>1448 ± 13</td>
			<td>-92.6</td>
			<td>-279.4</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
Tabla 1: propiedades termodinámicas de aleaciones Ba-Bi (xBa = 0.05 - 0.25). Cambio en las entropías molares parciales (<img alt="Equation 16" src="/files/ftp_upload/56718/56718eq16.jpg">) y las entalpías molares parciales (<img alt="Equation 17" src="/files/ftp_upload/56718/56718eq17.jpg">) para Ba-Bi de la aleación de composiciones xBa = 0.05 xBa = 0.25 calculada a partir de ajuste lineal de los valores de emf, donde las laderas y intersecciones son <img alt="Equation 18" src="/files/ftp_upload/56718/56718eq18.jpg"> y <img alt="Equation 19" src="/files/ftp_upload/56718/56718eq19.jpg"> </img>, respectivamente. Esta tabla ha sido modificada de Lichtenstein et al. 5
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td rowspan="2">x Ba</td>
			<td colspan="3">E (V)</td>
			<td colspan="3">LN una Ba</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>773 K</td>
			<td>873 K</td>
			<td>973 K</td>
			<td>773 K</td>
			<td>873 K</td>
			<td>973 K</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0.05</td>
			<td>1.164</td>
			<td>1.183</td>
			<td>1.203</td>
			<td>-35</td>
			<td>-31.5</td>
			<td>-28.7</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0.10</td>
			<td>1.137</td>
			<td>1.15</td>
			<td>1.164</td>
			<td>-34.1</td>
			<td>-30.6</td>
			<td>-27.8</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0.15</td>
			<td>1.101</td>
			<td>1.114</td>
			<td>1.127</td>
			<td>-33</td>
			<td>-29.6</td>
			<td>-26.9</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0.20</td>
			<td>1,075</td>
			<td>1.066</td>
			<td>1.076</td>
			<td>-32.2</td>
			<td>-28.3</td>
			<td>-25.7</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0.25</td>
			<td>1,075</td>
			<td>1.027</td>
			<td>1.032</td>
			<td>-32.2</td>
			<td>-27.3</td>
			<td>-24.6</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
Tabla 2: valores de emf medidos (E) y el logaritmo natural de la actividad de bario en bismuto (ln unBa). Los valores de emf medido de aleaciones Ba-Bi (xBa = 0.05 - 0.25) versus Ba(s) y el logaritmo natural de la actividad de bario en bismuto a 773 K, K 873 y 973 K. Esta tabla ha sido modificada de Lichtenstein et al. 5
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td colspan="2">Fracción molar, x Ba</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nominal</td>
			<td>Mide</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0.03</td>
			<td>0.03</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0.05</td>
			<td>0.05</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0.10</td>
			<td>0.09</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0.15</td>
			<td>0.14</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0.20</td>
			<td>0.20</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0.25</td>
			<td>0.25</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0.30</td>
			<td>0.30</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
Tabla 3: Nominal y medida contenido de bario de aleaciones binarias Ba-Sb. El contenido de bario nominales y medidos de aleaciones binarias Ba-Sb. Contenido de bario de aleaciones Ba-Sb fue confirmada usando inductivo juntado emissio atómica de plasmaEspectroscopia de n (ICP-AES). Esta tabla ha sido modificada de Lichtenstein et al. 12

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Determination of Thermodynamic Properties of Alkaline Earth-liquid Metal Alloys Using the Electromotive Force Technique

Este protocolo describe la medición de la fuerza electromotriz de los elementos alcalinotérreos en aleaciones de metal líquidos a altas temperaturas (1.123 723 K) para determinar sus propiedades termodinámicas, como actividad, la entropía molar parcial, parcial molar Entalpia y las temperaturas de transición de fase, sobre una gama amplia de la composición.

Determinación de propiedades termodinámicas de aleaciones de metales alcalinotérreos-líquido utilizando la técnica de la fuerza electromotriz

A novel electrochemical cell based on a CaF2 solid-state electrolyte has been developed to measure the electromotive force (emf) of binary alkaline ...

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13.1K vistas.  The Pennsylvania State University. Este protocolo describe la medición de la fuerza electromotriz de los elementos alcalinotérreos en aleaciones de metal líquidos a altas temperaturas (1.123 723 K) para determinar sus propiedades termodinámicas, como actividad, la entropía molar parcial, parcial molar Entalpia y las temperaturas de transición de fase, sobre una gama amplia de la composición.

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Metal-silicate Partitioning at High Pressure and Temperature: Experimental Methods and a Protocol to Suppress Highly Siderophile Element Inclusions

Estimates of the primitive upper mantle (PUM) composition reveal a depletion in many of the siderophile (iron-loving) elements, thought to result from their extraction to the core during terrestrial accretion. Experiments to investigate the partitioning of these elements between metal and silicate melts suggest that the PUM composition is best matched if metal-silicate equilibrium occurred at high pressures and temperatures, in a deep magma ocean environment. The behavior of the most highly siderophile elements (HSEs) during this process however, has remained enigmatic. Silicate run-products from HSE solubility experiments are commonly contaminated by dispersed metal inclusions that hinder the measurement of element concentrations in the melt. The resulting uncertainty over the true solubility and metal-silicate partitioning of these elements has made it difficult to predict their expected depletion in PUM. Recently, several studies have employed changes to the experimental design used for high pressure and temperature solubility experiments in order to suppress the formation of metal inclusions. The addition of Au (Re, Os, Ir, Ru experiments) or elemental Si (Pt experiments) to the sample acts to alter either the geometry or rate of sample reduction respectively, in order to avoid transient metal oversaturation of the silicate melt. This contribution outlines procedures for using the piston-cylinder and multi-anvil apparatus to conduct solubility and metal-silicate partitioning experiments respectively. A protocol is also described for the synthesis of uncontaminated run-products from HSE solubility experiments in which the oxygen fugacity is similar to that during terrestrial core-formation. Time-resolved LA-ICP-MS spectra are presented as evidence for the absence of metal-inclusions in run-products from earlier studies, and also confirm that the technique may be extended to investigate Ru. Examples are also given of how these data may be applied.

We present a procedure to determine the metal-silicate partitioning of siderophile elements, emphasizing techniques that suppress the formation of metal inclusions in experiments for the noble metals. The results of these experiments are used to demonstrate the effect of core-formation on the highly siderophile element composition of the mantle.

-Metal silicato de particionamiento a alta presión y temperatura: Métodos experimentales y un Protocolo para Reprimir altamente sidérophile Element Inclusiones

Estimates of the primitive upper mantle (PUM) composition reveal a depletion in many of the siderophile (iron-loving) elements, thought to result from ...

Investigación

Química

Ultrasound Velocity Measurement in a Liquid Metal Electrode

A growing number of electrochemical technologies depend on fluid flow, and often that fluid is opaque. Measuring the flow of an opaque fluid is inherently more difficult than measuring the flow of a transparent fluid, since optical methods are not applicable. Ultrasound can be used to measure the velocity of an opaque fluid, not only at isolated points, but at hundreds or thousands of points arrayed along lines, with good temporal resolution. When applied to a liquid metal electrode, ultrasound velocimetry involves additional challenges: high temperature, chemical activity, and electrical conductivity. Here we describe the experimental apparatus and methods that overcome these challenges and allow the measurement of flow in a liquid metal electrode, as it conducts current, at operating temperature. Temperature is regulated within &#177;2 &#176;C using a Proportional-Integral-Derivative (PID) controller that powers a custom-built furnace. Chemical activity is managed by choosing vessel materials carefully and enclosing the experimental setup in an argon-filled glovebox. Finally, unintended electrical paths are carefully prevented. An automated system logs control settings and experimental measurements, using hardware trigger signals to synchronize devices. This apparatus and these methods can produce measurements that are impossible with other techniques, and allow optimization and control of electrochemical technologies like liquid metal batteries.

Ultrasound velocimetry is used to study mixing by fluid flow in liquid metal electrodes. The focus of this manuscript is to illustrate the methods used for making precise, spatially-resolved ultrasound measurements while limiting oxidation and controlling and monitoring temperature, applied current, and the heater power being supplied.

Ultrasonido de medición de velocidad en un metal líquido Electrodo

A growing number of electrochemical technologies depend on fluid flow, and often that fluid is opaque. Measuring the flow of an opaque fluid is inherently ...

Ingeniería

A Method to Manipulate Surface Tension of a Liquid Metal via Surface Oxidation and Reduction

Controlling interfacial tension is an effective method for manipulating the shape, position, and flow of fluids at sub-millimeter length scales, where interfacial tension is a dominant force. A variety of methods exist for controlling the interfacial tension of aqueous and organic liquids on this scale; however, these techniques have limited utility for liquid metals due to their large interfacial tension.
Liquid metals can form soft, stretchable, and shape-reconfigurable components in electronic and electromagnetic devices. Although it is possible to manipulate these fluids via mechanical methods (e.g., pumping), electrical methods are easier to miniaturize, control, and implement. However, most electrical techniques have their own constraints: electrowetting-on-dielectric requires large (kV) potentials for modest actuation, electrocapillarity can affect relatively small changes in the interfacial tension, and continuous electrowetting is limited to plugs of the liquid metal in capillaries.
Here, we present a method for actuating gallium and gallium-based liquid metal alloys via an electrochemical surface reaction. Controlling the electrochemical potential on the surface of the liquid metal in electrolyte rapidly and reversibly changes the interfacial tension by over two orders of magnitude ( &#820;500 mN/m to near zero). Furthermore, this method requires only a very modest potential (&#60; 1 V) applied relative to a counter electrode. The resulting change in tension is due primarily to the electrochemical deposition of a surface oxide layer, which acts as a surfactant; removal of the oxide increases the interfacial tension, and vice versa. This technique can be applied in a wide variety of electrolytes and is independent of the substrate on which it rests.

We present a method to control the interfacial energy of a liquid metal in an electrolyte via electrochemical deposition (or removal) of a surface oxide layer. This simple method can control the capillary behavior of gallium-based liquid metals by tuning the interfacial energy rapidly, significantly, and reversibly using modest voltages.

Un método para manipular tensión superficial de un metal líquido a través de la oxidación de la superficie y Reducción

Controlling interfacial tension is an effective method for manipulating the shape, position, and flow of fluids at sub-millimeter length scales, where ...

Metal Corrosion and the Efficiency of Corrosion Inhibitors in Less Conductive Media

Material corrosion can be a limiting factor for different materials in many applications. Thus, it is necessary to better understand corrosion processes, prevent them and minimize the damages associated with them. One of the most important characteristics of corrosion processes is the corrosion rate. The measurement of corrosion rates is often very difficult or even impossible especially in less conductive, non-aqueous environments such as biofuels. Here, we present five different methods for the determination of corrosion rates and the efficiency of anti-corrosion protection in biofuels: (i) a static test, (ii) a dynamic test, (iii) a static test with a reflux cooler and electrochemical measurements (iv) in a two-electrode arrangement and (v) in a three-electrode arrangement. The static test is advantageous due to its low demands on material and instrumental equipment. The dynamic test allows for the testing of corrosion rates of metallic materials at more severe conditions. The static test with a reflux cooler allows for the testing in environments with higher viscosity (e.g., engine oils) at higher temperatures in the presence of oxidation or an inert atmosphere. The electrochemical measurements provide a more comprehensive view on corrosion processes. The presented cell geometries and arrangements (the two-electrode and three-electrode systems) make it possible to perform measurements in biofuel environments without base electrolytes that could have a negative impact on the results and load them with measurement errors. The presented methods make it possible to study the corrosion aggressiveness of an environment, the corrosion resistance of metallic materials, and the efficiency of corrosion inhibitors with representative and reproducible results. The results obtained using these methods can help to understand corrosion processes in more detail to minimize the damages caused by corrosion.

The testing of processes associated with material corrosion can often be difficult especially in non-aqueous environments. Here, we present different methods for short-term and long-term testing of corrosion behavior of non-aqueous environments such as biofuels, especially those containing bioethanol.

Corrosión de metales y la eficacia de los inhibidores de la corrosión en medios menos conductivos

Material corrosion can be a limiting factor for different materials in many applications. Thus, it is necessary to better understand corrosion processes, ...

Medio ambiente

Synthesis of Ionic Liquid Based Electrolytes, Assembly of Li-ion Batteries, and Measurements of Performance at High Temperature

The chemical instability of the traditional electrolyte remains a safety issue in widely used energy storage devices such as Li-ion batteries. Li-ion batteries for use in devices operating at elevated temperatures require thermally stable and non-flammable electrolytes. Ionic liquids (ILs), which are non-flammable, non-volatile, thermally stable molten salts, are an ideal replacement for flammable and low boiling point organic solvent electrolytes currently used today. We herein describe the procedures to: 1) synthesize mono- and di-phosphonium ionic liquids paired with chloride or bis(trifluoromethane)sulfonimide (TFSI) anions; 2) measure the thermal properties and stability of these ionic liquids by differential scanning calorimetry (DSC) and thermal gravimetric analysis (TGA); 3) measure the electrochemical properties of the ionic liquids by cyclic voltammetry (CV); 4) prepare electrolytes containing lithium bis(trifluoromethane)sulfonamide; 5) measure the conductivity of the electrolytes as a function of temperature; 6) assemble a coin cell battery with two of the electrolytes along with a Li metal anode and LiCoO2 cathode; and 7) evaluate battery performance at 100 &#176;C. We additionally describe the challenges in execution as well as the insights gained from performing these experiments.

Here, we describe protocols to prepare phosphonium-based ionic liquid and lithium bis(trifluoromethane)sulfonimide salt electrolytes, and assemble a non-flammable and high temperature functioning lithium-ion coin cell battery.

Síntesis de líquidos iónicos electrolitos basados, Montaje de baterías de ion-litio, y mediciones de rendimiento a temperaturas elevadas

The chemical instability of the traditional electrolyte remains a safety issue in widely used energy storage devices such as Li-ion batteries. Li-ion ...

A Novel Method for In Situ Electromechanical Characterization of Nanoscale Specimens

Electrically assisted deformation (EAD) is increasingly being used to improve the formability of metals during processes such as sheet metal rolling and forging. Adoption of this technique is proceeding despite disagreement concerning the underlying mechanism responsible for EAD. The experimental procedure described herein enables a more explicit study compared to previous EAD research by removing thermal effects, which are responsible for disagreement in interpreting previous EAD results. Furthermore, as the procedure described here enables EAD observation in situ and in real time in a transmission electron microscope (TEM), it is superior to existing post-mortem methods that observe EAD effects post-test. Test samples consist of a single crystal copper (SCC) foil having a free-standing tensile test section of nanoscale thickness, fabricated using a combination of laser and ion beam milling. The SCC is mounted to an etched silicon base that provides mechanical support and electrical isolation while serving as a heat sink. Using this geometry, even at high current density (~3,500 A/mm2), the test section experiences a negligible temperature increase (&#60;0.02 &#176;C), thus eliminating Joule heating effects. Monitoring material deformation and identifying the corresponding changes to microstructures, e.g. dislocations, are accomplished by acquiring and analyzing a series of TEM images. Our sample preparation and in situ experiment procedures are robust and versatile as they can be readily utilized to test materials with different microstructures, e.g., single and polycrystalline copper.

A Novel Method for In Situ Electromechanical Characterization of Nanoscale Specimens

Isolating electrical and thermal effects on electrically assisted deformation (EAD) is very difficult using macroscopic samples. Metallic sample micro- and nanostructures together with a custom test procedure have been developed to evaluate the impact of applied current on the formation without joule heating and evolution of dislocations on these samples.

Un nuevo método para<em&gt; In Situ</em&gt; Caracterización electromecánica de especímenes de nanoescala

Electrically assisted deformation (EAD) is increasingly being used to improve the formability of metals during processes such as sheet metal rolling and ...

In Situ Lithiated Reference Electrode: Four Electrode Design for In-operando Impedance Spectroscopy

Extending operating voltage of Li-ion batteries results in higher energy output from these devices. High voltages, however, may trigger or accelerate multiple processes responsible for long-term performance decay. Given the complexity of physical processes occurring inside the cell, it is often challenging to achieve a full understanding of the root causes of this performance degradation. This difficulty arises in part from the fact that any electrochemical measurement of a battery will return the combined contributions of all components in the cell. Incorporation of a reference electrode can solve part of the problem, as it allows the electrochemical reactions of the cathode and the anode to be individually probed. A variation in the voltage range experienced by the cathode, for example, can indicate alterations in the pool of cyclable lithium ions in the full-cell. The structural evolution of the many interphases existing in the battery can also be monitored, by measuring the contributions of each electrode to the overall cell impedance. Such wealth of information amplifies the reach of diagnostic analysis in Li-ion batteries and provides valuable input to the optimization of individual cell components. In this work, we introduce the design of a test cell able to accommodate multiple reference electrodes, and present reference electrodes that are appropriate for each specific type of measurement, detailing the assembly process in order to maximize the accuracy of the experimental results.

The incorporation of reference electrodes in a Li-ion battery provides valuable information to elucidate degradation mechanisms at high voltages. In this article, we present a cell design that accommodates multiple reference electrodes, along with the assembly steps to assure maximum accuracy of the data obtained in electrochemical measurements.

En el electrodo de referencia Lithiated Situ: Diseño de cuatro electrodos para espectroscopía de impedancia In-operando

Extending operating voltage of Li-ion batteries results in higher energy output from these devices. High voltages, however, may trigger or accelerate ...

Identification and Quantification of Decomposition Mechanisms in Lithium-Ion Batteries; Input to Heat Flow Simulation for Modeling Thermal Runaway

The risks and possible accidents related to the normal use of lithium-ion batteries remain a serious concern. In order to get a better understanding of thermal runaway (TR), the exothermic decomposition reactions in anode and cathode were studied, using a Simultaneous Thermal Analysis (STA)/Gas Chromatography-Mass Spectrometry (GC-MS)/Fourier Transform Infrared (FTIR) spectrometer system. These techniques allowed the identification of the reaction mechanisms in each electrode, owing to the analysis of evolved gaseous species, the amount of heat released and mass loss. These results provided insight into the thermal events happening within a broader temperature range than covered in previously published models. This allowed the formulation of an improved thermal model to depict TR. The heat of reaction, activation energy, and frequency factor (thermal triplets) for each major exothermic process at material level were investigated in a Lithium Nickel-Manganese-Cobalt-Oxide (NMC (111))-Graphite battery cell. The results were analyzed, and their kinetics were derived. These data can be used to successfully simulate the experimental heat flow.

This work aims at determining the reaction kinetics of Li-ion battery cathode and anode materials undergoing thermal runaway (TR). Simultaneous Thermal Analysis (STA)/Fourier Transform Infrared (FTIR) spectrometer/Gas Chromatography Mass Spectrometry (GC-MS) were used to reveal thermal events and to detect evolved gases.

identificación y cuantificación de mecanismos de descomposición en baterías de iones de litio; Entrada a la simulación de flujo de calor para modelar la fuga térmica

The risks and possible accidents related to the normal use of lithium-ion batteries remain a serious concern. In order to get a better understanding of ...

Co-localizing Kelvin Probe Force Microscopy with Other Microscopies and Spectroscopies: Selected Applications in Corrosion Characterization of Alloys

Kelvin probe force microscopy (KPFM), sometimes referred to as surface potential microscopy, is the nanoscale version of the venerable scanning Kelvin probe, both of which measure the Volta potential difference (VPD) between an oscillating probe tip and a sample surface by applying a nulling voltage equal in magnitude but opposite in sign to the tip-sample potential difference. By scanning a conductive KPFM probe over a sample surface, nanoscale variations in surface topography and potential can be mapped, identifying likely anodic and cathodic regions, as well as quantifying the inherent material driving force for galvanic corrosion.
Subsequent co-localization of KPFM Volta potential maps with advanced scanning electron microscopy (SEM) techniques, including back scattered electron (BSE) images, energy dispersive spectroscopy (EDS) elemental composition maps, and electron backscattered diffraction (EBSD) inverse pole figures can provide further insight into structure-property-performance relationships. Here, the results of several studies co-localizing KPFM with SEM on a wide variety of alloys of technological interest are presented, demonstrating the utility of combining these techniques at the nanoscale to elucidate corrosion initiation and propagation.
Important points to consider and potential pitfalls to avoid in such investigations are also highlighted: in particular, probe calibration and the potential confounding effects on the measured VPDs of the testing environment and sample surface, including ambient humidity (i.e., adsorbed water), surface reactions/oxidation, and polishing debris or other contaminants. Additionally, an example is provided of co-localizing a third technique, scanning confocal Raman microscopy, to demonstrate the general applicability and utility of the co-localization method to provide further structural insight beyond that afforded by electron microscopy-based techniques.

Kelvin probe force microscopy (KPFM) measures surface topography and differences in surface potential, while scanning electron microscopy (SEM) and associated spectroscopies can elucidate surface morphology, composition, crystallinity, and crystallographic orientation. Accordingly, the co-localization of SEM with KPFM can provide insight into the effects of nanoscale composition and surface structure on corrosion.

Co-localización de la microscopía de fuerza de la sonda Kelvin con otras microscopías y espectroscopias: aplicaciones seleccionadas en la caracterización de la corrosión de aleaciones

Kelvin probe force microscopy (KPFM), sometimes referred to as surface potential microscopy, is the nanoscale version of the venerable scanning Kelvin ...

Caracterización magnetométrica de MOFs redox-activos Electroquímica de estado sólido

Magnetometric Characterization of Intermediates in the Solid-State Electrochemistry of Redox-Active Metal-Organic Frameworks

Electrochemical energy storage has been a widely discussed application of redox-active metal-organic frameworks (MOFs) in the past 5 years. Although MOFs show outstanding performance in terms of gravimetric or areal capacitance and cyclic stability, unfortunately their electrochemical mechanisms are not well understood in most cases. Traditional spectroscopic techniques, such as X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and X-ray absorption fine structure (XAFS), have only provided vague and qualitative information about valence changes of certain elements, and the mechanisms proposed based on such information are often highly disputable. In this article, we report a series of standardized methods, including the fabrication of solid-state electrochemical cells, electrochemistry measurements, the disassembly of cells, the collection of MOF electrochemical intermediates, and physical measurements of the intermediates under the protection of inert gases. By using these methods for quantitatively clarifying the electronic and spin state evolution within a single electrochemical step of redox-active MOFs, one can provide clear insight into the nature of electrochemical energy storage mechanisms not only for MOFs, but also for all other materials with strongly correlated electronic structures.

Autor destacado: Caracterización magnetométrica de intermedios en la electroquímica de estado sólido de estructuras metal-orgánicas redox-activas  

Ex situ magnetic surveys can directly provide bulk and local information on a magnetic electrode to reveal its charge storage mechanism step by step. Herein, electron spin resonance (ESR) and magnetic susceptibility are demonstrated to monitor the evaluation of paramagnetic species and their concentration in a redox-active metal-organic framework (MOF).

Caracterización magnetométrica de intermedios en la electroquímica de estado sólido de estructuras metal-orgánicas redox-activas

Electrochemical energy storage has been a widely discussed application of redox-active metal-organic frameworks (MOFs) in the past 5 years. Although MOFs ...

Determinación de propiedades termodinámicas de aleaciones de metales alcalinotérreos-líquido utilizando la técnica de la fuerza electromotriz

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