Alkali toprak-sıvı Metal alaşımlar Elektromotor kuvvet tekniği kullanılarak termodinamik özelliklerinin belirlenmesi

Özet

Bu protokolünü açıklar yüksek sıcaklıklarda (723-1.123 termodinamik özellikleri faaliyet, kısmi molar entropi, kısmi molar dahil, belirlemek için K) sıvı metal alaşımlar, alkali toprak elementleri Elektromotor kuvveti ölçümü entalpi ve faz geçiş sıcaklıklar, geniş kompozisyon aralığı boyunca.

Özet

Bir CaF₂ katı hal elektrolit dayalı bir roman elektrokimyasal hücre elde etmek için kompozisyon ve sıcaklık işlevleri olarak ikili alkali toprak-sıvı metal alaşımlar Elektromotor kuvvet (emf) ölçmek için geliştirilmiştir Termodinamik veri. (A nerede Ca, Sr veya Ba gibi alkali toprak elementi) bir kimyasal olarak kararlı katı hal CaF₂-AF₂ elektrolit, ikili A-B alaşım (B nerede BI veya Sb gibi sıvı metal) ile hücre oluşan bir metal elektrotlar ve saf bir çalışma referans elektrot. EMF veri bir sıcaklık aralığında, 723 K 1.123 K deneme başına birden fazla alaşım besteleri için 25 K artışlarla toplanır ve etkinlik değerleri, faz geçiş sıcaklıklar ve kısmi molar entropies/enthalpies için verim için analiz sonuçları Her kompozisyon.

Giriş

Elektromotor kuvvet (emf) ölçümleri doğrudan bir kimyasal reaksiyon kısmi molar Gibbs serbest enerji değişimine belirlemek ve etkinlik, kısmi molar entalpi ve kısmi molar entropi¹gibi doğru termodinamik özellikler sağlar. Termokimyasal veri üzerinden çok bileşenli faz diyagramları, ilk ilke malzeme modelleme, sentezi için yeni deneysel doğrulama için arıtma malzemeleri toplumda araştırma konuları çeşitli için çok önemli değil intermetallic türler avantajlı özellikleri ile. Son zamanlarda, Kim vd. sıvı metal elektrotlar erimiş tuz elektrolit²' den toprak alkali türler ayırarak canlılığı değerlendirmek için emf ölçümler kullanılmaktadır.

Elektrokimyasal ayrılık erimiş tuzları (örneğin, LiCl KCl) kullanarak³geri dönüşüm kullanılan nükleer yakıt uranyum ve transuranik metaller ayıran için umut verici bir teknolojidir. Erimiş tuz bir anot olarak kullanılan yakıt işlenirken, füzyon ürünleri uranyum daha alt standart azaltma potansiyelleri ile okside ve erimiş tuz çözünmüş iyonların (örneğin, Ba^{2 +}, Sr^{2 +},⁺Cs ve nadir-toprak birikir metal katyonlar)⁴. Sonuç olarak, erimiş tuz elektrolit gerekir düzenli olarak yerini ve/veya ayrı birikmiş fizyon ürünleri⁴daha işlenmiş. Bu iyonlar ayrı zorlaştırır kurucu özellikler arasında en düşük standart azaltma potansiyelleri sergilemek çünkü belirli endişe alkali/alkali-dünya füzyon (Ba^{2 +}, Sr^{2 +}ve Cs⁺) ürünlerdir erimiş tuz eriyik--dan.

Ancak, Lichtenstein vd. yakın zamanda baryum sıvı bizmut düşük termodinamik etkinlik sergileyen gösterdi (baryum köstebek kesir x_{Ba (BI içinde)} 10^-12 x 8.7 = 0,05, 1.123 K), güçlü ima atomik Baryum ve bizmut⁵arasındaki etkileşimler. Kim ve ark. gözlenen bu etkileşimler baryum iyonları ifade potansiyelleri sıvı bizmut elektrot (-3.74 V-2.49 V Cl^-/Cl₂(g) vs. için), bir kayma neden baryum tercihli bir birikimi sonuçlanan elektrolit çözüm (BaCl₂- LiCl CaCl₂- NaCl, 16-29-35-20 mol %) 773-973 K⁶. Seçmeli olarak kullanılan nükleer yakıt elektrokimyasal işleme için kullanılan elektrolit alkali/alkali-dünya füzyon ürünleri ayırmak için sıvı metal elektrot kullanarak ifade potansiyel bu vardiyada kaldıraçlı. Alkali/alkali-dünya füzyon ürünleri erimiş tuz elektrolit ayıran canlılığı belirlemek için potansiyel sıvı metaller (örneğin, BI, Sb) bu öğelerin termodinamik özellikleri belirlenmelidir.

Önceki çalışmalarda, Delcet vd. coulometric titrasyon ikili alaşımların termodinamik özellikleri belirlemek için kullanılan (örneğin, Ba-Bi, Ba-Sb, Ba-Pb)⁷. Ba-Bi alaşımları x_Ba ' e kadar 0,50, = coulometric titrasyon 1.123 K bir tek-kristal BaF₂ elektrolit kullanarak istihdam ve bizmut (2.4 x , 10^-12 x baryum karşılaştırılabilir etkinlik değerleri gözlenen _{(BI) ba} = 0,05, 1.123 K). Ancak, bu sonuçlar ikili alaşımları baryum içeriği ile ilgili belirsizlik nedeniyle yanlış bildirildi. Baryum yüksek reaktif ve daha yüksek sıcaklıklarda halide tuz artan elektronik iletim neden ve coulometric sırasında yanlış kompozisyon muhasebe yol onun halide tuzları (1,163 k BaCl₂ mol % ~ 15), çözünür metaldir titrasyon. Termodinamik özellikleri (örneğin, aşırı kısmi molar Gibbs serbest enerjisi, kısmi molar entalpi, kısmi molar entropi) büyük ölçüde reaktif öğeleri içeren ikili alaşımların belirlemek için bu protokol için açıklanan emf yöntemi kullanıldı.

İkili alaşımların Termokimyasal özellikleri için denge hücre potansiyel E_hücre (Yani, emf) alaşımı (A-B) ölçerek saf metal A. referans potansiyeline göre belirlenebilir Sonra hücre potansiyeli doğrudan hücre tepki Nernst ilişkisi göre kısmi molar Gibbs serbest enerji (veya kimyasal potansiyel) değiştirmek için ilgili ().

Bu çalışmada toprak alkali alaşımları EMF ölçülerini florür iyon iletken CaF₂ temel elektrolit olarak çünkü seçilen Ca^{2 +}/Ca Redoks potansiyeli (E⁰ -5.59 V =) diğerinden daha negatif toprak alkali Redoks potansiyeli (örneğin, , F^-/f₂(g) 873 k karşı) florür sistemi⁸. Bu CaF₂ daha fazla anlamına gelir kimyasal olarak istikrarlı diğer toprak alkali florür AF₂ ' den (A = Sr veya Ba), ve Ba^{2 +} veya Sr^{2 +} iyonları CaF₂- BaF₂ ve CaF electroactive türler olduğunu ₂- SrF₂ elektrolit, anılan sıraya göre. CaF₂yüksek kararlılık kullanmak, hangi en aza indirir Ba yan etki veya Sr CaF₂ yüksek sıcaklıklardaki₂-AF₂ elektrolit oldu tek fazlı ikili CaF iyonik iletkenlik yanı sıra alaşımlar başarılı bir şekilde doğru ikili alkali toprak-sıvı metal alaşımlar emf ölçmek için istihdam. Tek fazlı ikili elektrolit oluşumu onayı şekil 1⁹x-ışını kırınım (XRD) analizi ile doğrulanır.

Hücre ölçmek için potansiyel bir toprak alkali alaşım, aşağıdaki elektrokimyasal hücre bir katı hal ikili CaF₂-AF₂ (97 mol % CaF₂, 3 mol % AF₂) elektrolit¹⁰kullanarak uygulanan:

,

nerede saf alkalin - Dünya A metal (A = Ca, Sr veya Ba) olarak referans elektrot (RE), solid CaF₂-AF₂ kompozisyon A-B alaşımları sabit çalışma elektrotlar (biz) ve B elektrolit olarak görev yapar mı aday sıvı metal BI veya Sb gibi. Elektrokimyasal hücredeki half-cell reaksiyonlar şunlardır:

ve genel hücre reaksiyonu:

Burada e^- bir elektron alışverişinde hücre reaksiyonları ve z değiş tokuş elektron sayısıdır (z = 2 alkali toprak elementleri için). Bu genel tepki, kısmi molar Gibbs serbest enerjisi A metal değişikliği için , şöyle verilir:

nerede kısmi molar Gibbs serbest enerjisi bir metal metal b olduğunu olduğunu standart Gibbs serbest enerji saf bir metal, R ideal gaz sabiti, T sıcaklığı Kelvin, ve bir_A metal B. A etkinliği olduğunu Ölçülen hücre emf, E_hücre, doğrudan kısmi molar Gibbs serbest enerjisi a değişikliği Nernst denklemi tarafından ilgili,

F Faraday sabiti nerede.

Protokol

1. fabrikasyon bir elektrokimyasal hücre bileşenleri

1. ikili CaF ₂ imalatı-AF ₂ elektrolit
   1. Hesaplama ikili her bileşen için gerekli kütle elektrolit 350.0 ± 5.0 g karışımı 97 mol % CaF ₂ ve 3 mol % AF ₂ (Örneğin, 333.4 g CaF ₂ ve BAV ₂ 16.6 g) ile için.
   2. Ölçü dışarı ve tuz karışımı yaklaşık 1,3 kg yttria-sağlamlık Zirkon medya (3 mm çapı) ve 25,0 ± 0.1 g polivinil alkol (PVA, organik Ciltçi) freze ile birlikte bir 1, 5 L plastik şişe içine dökün. 4/5 şişe olana izopropil alkol (IPA) eklemek tam. Şişe kapatın ve el ile sallamak içeriği karışım bileşenleri olarak dağıtabilmenizi yaklaşık 1 dk için.
   3. Yer plastik şişe tuz karışımı ile top mill (iki-Silindirler, 12,5 " uzunluğu). 24 h için dakika (RPM) ve değirmen başına 250 devrimler için Top mill hızını ayarlamak
   4. Karışımı bir elekten (10 mesh) freze medya ve tuz karışımı ayırmak için bir tavaya dökün. Bir sıkmak şişe kullanarak durulayın elek hafifçe ile kalan karışımı yakalamak için IPA 10 mL.
   5. Topu öğütülmüş homojen karışımı bir duman mahalle ~ 24 h için kuru ve karışımı bir harç ve havaneli kullanarak ince bir toz eziyet.
      Not: kurutma işlemi hızlandırılmış gerekiyorsa, pan sıcak tabakta 373 için ayarla-ebilmek konmak K.
   6. Ölçmek 130,0 ± elektrolit toz ve yük düzgün bir Pelet die (75 mm çap, 60 mm yükseklik) içine toz 1.0 g dışarı.
   7. Die basın kullanarak uniaxially basın basınç 30 MPa ile toz için forma bir yeşil 2 ortaçağ halk ozanı 75 mm çap ve 17 mm kalınlıkta, cips. Pelet pelet ölmektedir kaldırmak için Pelet die ters çevir, ile halka içinde ortalanmış pelet pelet kalıp üzerine merkezli bir paslanmaz çelik yüzük (101 mm dış çap (OD), 35 mm yüksekliği, 4.8 mm kalınlık) yerleştirin. Dikkatle ~1.0 bar basınç Pelet ölmektedir kaldırmak için Pelet die yumrukla basın.
   8. Yeşil Pelet, Ortadakinin ve altı eşit aralıklı 25,4 mm matkap merkezleri arasında dokunarak delik (~0.5 mm derinlik) oluşturmak için küçük matkap (1 mm çap) kullanın. O zaman büyük matkap (11,2 mm çap) kullanmak el ile yedi kuyu merkezli inebilecek dokunarak delik, her biri yaklaşık 12 mm derin (Pelet yoldan yaklaşık ¾).
   9. Her gerekli altı elektrolit kapaklar için 4,5 ± 0.5 g elektrolit tozu ölçmek ve toz düzgün bir Pelet kalıp içine (19 mm çapında, 50 mm yükseklik) yük.
   10. Uniaxially elektrolit tozu ile 7,5 MPa için 1 dk bir yeşil Pelet 19 mm × 10 mm çapında ve kalınlığı basın. Pelet pelet ölmektedir kaldırmak için Pelet die ters çevir, ile halka içinde ortalanmış pelet pelet kalıp üzerine merkezli bir paslanmaz çelik yüzük (37,5 mm OD, 30 mm yükseklik, 3, 5 mm kalınlık) yerleştirin. Dikkatle Pelet die yumrukla ~1.0 bar basınç Pelet ölmektedir kaldırmak için tuşuna basın. Küçük matkap (2 mm çap) el ile her önemli bir merkezi delik matkap kullanmak
       Not: Yeşil 1.1.8 unsurlardandır. ve 1.1.10. Aşağıdaki adımlarda bir tek fazlı katı elektrolit kurmaya hazır sinterleme için.
   11. Her büyük elektrolit Pelet ve altı küçük elektrolit kapaklar kümesi için hafifçe Sinterlenmiş Pelet ayrılması Alümina plaka kolaylaştırmak için kaba Alümina toz ile aliminyum plaka (10 cm çapında, 4.65 mm kalınlığında) kapsar. Öyle ki onlar birbirlerini dokunmayın elektrolit Alümina toz üstüne alin.
   12. 1.1.11 yukarıdaki derlemesinden bir yüksek sıcaklık kutusu fırında yerleştirin. Aşağıdaki Isıtma profil taşlarla sinter: 393 K nem, 823 K 12 h için PVA yakmak kaldırmak için 12 h ve 3 h için 1,273 sinter, tüm oranları 5 K/dk Isıtma ile için K için. Sonra 298 K 2,5 K/dk. hızında cool
2. İmalat alkali toprak alaşımlı elektrot
   1. argon dolu bir torpido, en az 6.0 g (örneğin, 5.6 g BI ve 0.4 g ba kombine bir kitle ile ikili alaşım iki bileşenden kitle dışarı ölçmek Baryum köstebek kesir x _Ba Ba-Bi alaşım için 0,10 =). Bir tepsiye yerleştirin ve torpido kaldırmak.
      Not: Reaktif metal madeni yağ oksidasyonu önlemek altında depolanır. Mineral yağ çıkarmak, alkalin - dünya metal parçalar halinde aseton 10 için solüsyon içeren temizleyicide s.
   2. Tüm metal parçalar ark-erimek sahne ortasına yerleştirin ve sahne alanı güvenli.
   3. Çekme vakum odası 3 bir vakum-bar (ölçer basınç) yaklaşık 1,0 elde kadar dak ve sonra dolgu 0.0 (ölçer basınç) bar için argonla için üzerinde. En az üç kez ark eritme işlemi sırasında bir inert argon atmosfer sağlamak için bu yordamı yineleyin.
   4. Göz-Koruma Kalkanı ark-erimek biriminin ve sahne ve ark erimek tungsten ucu arasındaki istikrarlı bir elektrik ark oluşturmak için geçerli. Metal parçalar, elektrik ark parçalara açarak tek homojen bir eritebilir. Yeterli erime doğruladı tarafından gözlemlenebilir ayrı bölüm halinde alaşım parça yokluğu.
      Not: büyük ölçüde reaktif öğeleri erimiş, yüksek bir akım ~ 5 s neden içinde malzemenin buharlaşma ve tutarsızlıkları alaşım kompozisyonu neden daha uzun süre kullanıyor.
   5. Tek bir alaşım parçaları erime sonra geçerli ve ark erimek kapat. Sahne odasından gevşetin, alaşım flip ve ark erimek odasına geri sahne sıkın. Tekrar 1.2.3 - 1.2.5 formu homojen bir alaşım için üç kez.
   6. Alaşım yeniden erime sonra sahne odasından tekrar sökün ve kırmak veya alaşım yaklaşık 3-6 daha küçük parçalar halinde kesin. Sahne Alanı'nda alin ve ark erimek odasına geri sahne vida. Parçaları tek bir adımları 1.2.3 - 1.2.5 göre içine yeniden eritebilir.
   7. 3-5 dk. Detach Sahne Alanı'ndan ark-erimek sistem soğutmak sistem izin ve alaşım bir plastik torba içinde saklayın. Son elektrokimyasal hücre derleme kadar etkisiz argon ortamı (örneğin, torpidoda) altında çanta yere.
      Not: her deneme için iki referans elektrot alaşım parçaları ve ilâ dört çalışma elektrot alaşım parça farklı kompozisyon gerekli olur.
3. Tungsten elektrik müşteri adayları ve ısıl hazırlanması
   1. 6 tungsten teller (1 mm çap) 46 cm boy kesme. El ile 100 kum zımpara kağıdı kullanarak bir oksit tabaka gibi yüzey kirletici kaldırmak için her tel uzunluğu boyunca kum. Aseton ile ıslak mendil kullanarak Tel yüzeyi temizleyin.
   2. Ekle elektrik elektrik arasında kısa devre-ecek önlemek tel (6.35 mm çap, 30,5 cm uzunluğunda) bir alüminyum tüp içine yol açar ve paslanmaz çelik test Oda elektrokimyasal ölçüm sırasında. Gibi yaklaşık 12,7 cm (alt) bir ucunda bırakma bare tel yapmak için potansiyostat ile elektriksel temas yol için iletişim elektrotlar ile ve diğer ucunda (üst) 2.5 cm.
   3. Yaklaşık 3 g hızlı cure epoksi ve sertleştirici 1dk ahşap aplikatör sopanın ucuna kullanarak için mix.
   4. Tüp tel ile epoksi yaklaşık 3 g tüp kapatın en iyi amaçla geçerlidir. Tüp yatıyordu ve dikey bir laboratuvar standı kullanarak tel ve 15 dk. tekrar her tungsten telin (elektrik kurşun) tedavisi epoksi izin.
   5. 45 cm ısıl (tip-K) ucuna bir yeni 30,5 cm uzun Alümina tüp ekleyebilir ve hızlı cure epoksi ~ 5 mm üst kısmında maruz ısıl bırakarak adım 1.3.4, benzer kullanarak ısıl ve Alümina tüp arasındaki boşluğu mühür. Epoksi için 15 dk. tedavisi izin

2. Elektrokimyasal hücre Meclisi

1. elektrokimyasal hücre derleme bileşenleri Temizleme
   1. elektrokimyasal hücre Meclisi önce iyice kum ile paslanmaz çelik test odası iç yüzeyine 100 kum zımpara kağıdı oraya kadar paslanmaz çelik yüzeylerde görünür hiçbir kirlenme var. Test odası, Oda kap ve Alümina pota (8,2 cm çapında, 3,0 cm yükseklik) temiz ve de-iyonize su kullanarak durulayın IPA ile.
   2. Vakum bağlantı parçaları ve isopropanol ~ 10 dk için o-Ring parçaları solüsyon içeren temizleyicide ve onları kurutma fırın ~ 373 K. Uygula, içinde o-halkaları için vakum kalite için vakum yağ ince bir kaplama kurumasını sağlar. Derleme için bir dolu argon torpidoda içine tüm elektrokimyasal Kur bileşenleri taşımak.
2. Elektrokimyasal hücre Meclisi yükleme
   1. Sinterlenmiş elektrolit (Adım 1.1) test odası taşıyıcıya bulunan Alümina pota ortasına yerleştirin.
   Öyle ki malzeme üst elektrolit yüzeyi ile aynı hizada
   2. her kuyuya yeterli elektrot malzeme yük. İki kuyu referans elektrot malzemelerle doldurmak (örneğin, Ba-Bi (x _Ba = 0,05)) aynı kompozisyon. Sonra dört kuyu elektrot malzeme, her şey farklı kompozisyon ( Şekil 2) sahip çalışma ile doldurun. Bu adımda, elektrolit Wells silindir şeklinde yakın elektrot ark erimiş malzeme şekil ve işleme araçları (örneğin, Mini Torna, matkap, vb) kullanarak elektrik kurşun sokmak için bir merkezi delikten (2 mm çap) matkap .
      Not: örnekleri hava oksidasyon azaltmak için pozlama süresini en aza indirmek. Geniş oksidasyon örnekleri (donuk) bir sigara parlak yüzey katmanda varlığı ile belirtilir. Oksit tabaka kaldırmak için kum 100 kum zımpara kağıdı kullanarak sample(s) yüzey ve Kuru Temizleme işlemi ile temizlik.
   3. Bağlantı noktası odası Cap odası, bir elektrolit kap ve bir alaşım elektrot delik delik baffle plakaları uydurma vakum yoluyla elektrik kurşun derleme (tungsten tel ile alüminyum tüp içinde 1.3) yerleştirin. Tüm altı elektrotlar için bu yordamı yineleyin. Daha sonra bağlantı noktası uygun son vakum yoluyla ve yedinci kuyuya ısıl merkezinde yerleştirin. Sıkıca alaşım elektrolit yüzeye dokunun. Tam bir derleme Şekil 2 ve şekil 3 ' te gösterilen.
      Not: Her tungsten tel sıkıca elektrolit yüzeye dokunun gerekir. Alaşım işlenmiş çok kırılgan ise, tungsten tel tel alaşım karşı tuşuna basıp yerleşimi limanda uydurma vakum uydurma vakum sıkma tarafından güvenlik altına alma alaşım karşı preslenmiş tutulabilen
   4. Paslanmaz çelik vakum odası üst oluk büyük o-ring yerleştirin. Dikkatli bir şekilde monte elektrokimyasal hücreler test odasına indir. Güvenli bir şekilde tüm vakum-mühür bileşenleri ve test odası kelepçe sıkın.
3. Çıkarma nem ve emf ölçüm elektrokimyasal hücre derlemesinden oksijen
   1. monte test odası bir pota ocağı yük. İki Çakışan katmanları elektrokimyasal hücredeki tek tip sıcaklık dağılımı sağlamak ve test üstündeki epoksi mühürler önlemek için fırın değil vakum odasının fiberglas yalıtım maruz yüzeyi çevresine yerleştirin odası.
   2. Soğutma tüp giriş ve çıkış bağlantı noktalarına ( şekil 3 ve şekil 4) test odası soğutma suyu hattı eklemek.
   3. Vakum/argon satırı test odası giriş bağlantı noktasına takın ve çıkış bağlantı noktası vanayı kapat. Vakum ölçer okuma altında 10 mtorr kadar test odası tahliye.
      Not: vakum seviyesi az 10 mtorr elde edemez, onay mühür bileşenleri o-halkaları, kelepçeler, dahil olmak üzere test odası Tüp bağlantı parçaları ve epoksi mühürler.
   4. Etkin vakum altında (< 10 mtorr), 5 K/dk hızında Isıtma 373 K için fırın sıcaklık artışı ve 10 h için basılı tutun; 543 K için aynı Isıtma oranda artan ve 10 h. Not tutun: kurutma işlemi yaklaşık 20 h. alır
   Yukarıdaki kurutma işlemi tamamlandığında,
   5. tasfiye odası ultra yüksek saflıkta argonla doldurdum. Tahliye tekrar (< 10 mtorr) ve tasfiye argon (~ 1 atm) yüksek sıcaklıklardaki işlemi için bir inert atmosfer sağlamak için en az üç kez.
   6. Son argon tasfiye sonra test odası giriş ve çıkış valfleri açın ve debimetre 50.0 mL/dk ortam atmosferik odası basınçta sürekli argon akışını korumak için ayarlamak (~ 1 atm).

3. Elektrokimyasal ölçümleri

1. 1. hücre derleme ve potansiyostat arasındaki elektriksel temas kurma bağlanmak sayaç elektrot kablosu ve referans elektrot kablosu potansiyostat bir kez bir fırın vardır 543 ulaştı K.
      Not: Her elektrot kablosu (Örneğin, referans elektrot, sayaç elektrot, çalışma elektrot elektrot kabloları algılama,) bir fiş, elektrik bağlantısı sağlayan kablo sonuna vardır.
   2. Bir timsah klip referans elektrot kablosu sonuna potansiyostat eklemek ve referans elektrot elektrik ilk hücre derleme'üzerine klip.
   3. Tak beş çalışma elektrot kabloları, her bağlantı noktası 1 ile 5, (MUX) çoğullama anahtar üzerindeki içine bir kutu. Bir timsah klip her çalışma elektrot kablosunu takın ve diğer beş elektrotlar göreli sıralı voltaj ölçümleri için izin elektrokimyasal hücre derlemeden elektrik kurşun her çalışma elektrot için her timsah klip bağlanmak referans elektrot için.
      Not: Bir çalışma elektrot aynı düzenleme referans elektrot olarak sahip olmalıdır. Bu iki özdeş elektrot arasındaki gerilim farkı yaklaşık sıfır olmalı ve tüm ölçüm sırasında takip edilmelidir. Bir voltaj fark daha az 2-3 mV gösterir istikrar ve doğru emf ölçümler için referans elektrot sisteminin güvenilirliği.
   4. Paslanmaz çelik test odasına bir yere kablosunun bir ucunu takın ve diğer son direc takınBatıdaki bir elektrik prizine yere portuna.
      Not: Bu yordam etkili Isıtma elemanları paslanmaz çelik test odası Faradaic bir kafes gibi elektrokimyasal ölçümler sırasında hizmet çünkü fırın gelen elektriksel gürültü bastırır.
   5. Oluşturmak için sırayla galvanostatic modu altında potansiyostat yazılımını kullanarak çalışma elektroda açık devre potansiyel (OTM) ölçmek için elektrokimyasal yazılım kullanarak bir programı.
      Not: Özel program, istek, önlemler ve kayıtları her çalışma elektrodu ile sırayla için 15 dk süren her rotasyon ile zaman içinde dönen OCP her çalışma elektrot olarak kullanılabilir. Program çalışma elektrotlar kayıt OCP ölçümler her sıcaklık artışı, dizi döndürmek.
   6. Artırmak nerede elektrolit emf ölçülerini ionically iletken hale fırın sıcaklığı 543 K dan 1,073 K 5.0 K/dk.
      Not: 1,073 K referans elektrot emf ölçümler sırasında elektrolit ve referans elektrot potansiyelleri geliştirilmiş istikrar için elektrik kurşun ile kararlı elektriksel temas kurmak için tamamen erimiş olmalı.
2. Termal profil termal emf ölçüm sırasında Bisiklete binme için fırın ayarlama
   Not: Sıcaklık aralığı elektrot besteleri (erime örneğin, faz geçiş davranışını şartlı olduğunu sıcaklık) yanı sıra alaşım kompozisyonu reaktivite. Ba-Bi ve Sr-Bi alaşım sisteminden 723 ve IR/1,073 K, çalışma için tipik sıcaklık profili aşağıda verilmiştir.
   1. Program fırın denetleyicisi 1,073 K 723 K fırın sıcaklığı azalmaya ve 723 K 1,073 K 5 K/dk 25 K aralıklarla ± bayiliği oranında artırmak için. Her sıcaklık adımda (her 25 K Aralık), 1-2 h bileşenleri termal ve elektrokimyasal denge ulaşmak izin vermek için sıcaklık tutun.
      Not: hücre sıcaklık ± 1 K ısıl verileri ilişkili veri alma (DAQ) sistemi tarafından görüntülenen tarafından gösterilen her sıcaklık adımda içinde sabit kalır bir kez termal denge ulaştı.
3. Sıcaklık ve emf veri toplama
   1. elektrokimyasal hücre sıcaklığını bir ısıl DAQ sistemi kullanarak tüm termal döngüsü sırasında kayıt; Fırın Sıcaklık alt ve üst sınırları dahil program ve ısıl türü. Sıcaklık kayıt olarak aynı zamanda emf ölçüm programı başlar.
      Not: Her çalışma elektrot OCP ölçümü referans elektrot karşı ölçülür. OCP ölçüm iki referans elektrot arasında 2-3'den az mV olmalıdır.
   2. Hücre sıcaklık ve her çalışma elektrot OCP ölçümleri sıcaklık bir fonksiyonu olarak her alkali toprak-sıvı metal alaşımı emf değerlerini belirlemek için kullanın. OCP değerler her sıcaklıkta çalışma ve referans elektrot arasındaki emf değerlerdir.

Sonuçlar

Şekil 5 görüntüler bir elektrokimyasal hücre yeniden Isıtma ve soğutma üzerine yapılan emf ölçümler: Ba-Bi (x_Ba = 0,05) | CaF₂- BaF₂| Ba-Bi (x_Ba = 0,05, 0,10, 0,20 ve), Ba-Bi alaşım nerede x_Ba = 0,05 hizmet referans elektrot⁵.

İki özdeş Ba-Bi alaşımları x_Ba arasındaki potansiyel farkı = 0,05 kalır daha az 2 mV kararlılığını ve güvenilirliğini referans elektrot gösteren tüm ölçüm sırasında. Alaşım besteleri x_Ba için = 0,10 ve x_Ba = 0,20, simetrik emf profil Isıtma ve soğutma çevrimleri, termal Bisiklete binme sırasında tekrarlanabilir emf değerleri gösteren sırasında elde edilir. (Her 25 K Aralık) her sıcaklık adımda, termal ve elektrokimyasal kararlı durum 1-2 h (şekil 5)⁵' ten daha az sayıda hücre sıcaklık ve hücre emf değeri ulaşmak.

Saf Ba(s), Ba-Bi emf değerleri standart devlete karşı Ba-Bi alaşımların termodinamik özellikleri belirlemek için (x_Ba = 0,05) alaşım referans elektrot saf Ba ile ilgili olarak ayarlanması gerekir. Emf değerleri referans elektrot saf Ba ile ilgili olarak, ayrı bir elektrokimyasal hücre kullanarak saptanır: Ba(s) | CaF₂- BaF₂| Ba-Bi (x_Ba = 0,05) ve sonuçları şekil 6' da sunulmuştur. Doğrusal kullanarak uygun bu ölçüm x_Ba = 0,05 (şekil 6), emf Ba-Bi alaşımlar (E_hücre) değerlerini saf Ba metal⁵göre belirlenir.

Ba-Bi alaşımlar, göreli olarak saf Ba(s), emf değerleri seçilen Ba-Bi alaşımlar için Şekil 7 ' de gösterildiği gibi her elektrot kompozisyon sıcaklıkta bir fonksiyonu olarak çizilir (x_Ba = 0,05 - 0,25)⁵. Doğrusal uygun sıcaklık karşı çizilen emf veri kısmi molar entropi değişimi aşağıdaki termodinamik Denklem kullanılarak hesaplanır:

ve bizmut baryum kısmi molar entalpi Gibbs-Helmholtz denklem gibi termodinamik ilişkileri kullanarak aşağıdaki gibi hesaplanabilir. Sonuçları Tablo 1⁵' te özetlenmiştir.

Baryum etkinlik aynı zamanda toplanan emf değerleri ve Nernst denklemi kullanarak tespit edilmiştir:

Sonuçları Tablo 2⁵' te özetlenmiştir.

Ba-Bi alaşımları için EMF değerleri (_Ba x = 0,05 - 0,80) aynı zamanda faz geçiş sıcaklıklar için her alaşım kompozisyonu belirlemek için kullanılmıştır. Diferansiyel tarama Kalorimetre (DSC) faz geçiş veri ile birlikte, İndüktif eşleşmiş plazma atomik emisyon spektroskopisi (ICP-AES) kompozisyon verileri, Tablo 3¹²ve kristal yapısı içinde görüntülenen benzer XRD analiz, emf veri verilerden Okamoto (şekil 8)^5,11tarafından bildirilen en son Ba-Bi faz diyagramı geliştirmek için kullanıldı.

Resim 1: Tek fazlı CaF₂- SrF₂ elektrolit XRD spectra. CaF₂- SrF₂ elektrolit öncesi ve sonrası sinterleme XRD spectra (en yoğun tepeye kadar her spektrum için normalleştirilmiş). Pure (*) CaF₂ ve BAV₂ kırınım desenleri karşılaştırma için sağlanır. Bu rakam Smith et al. değiştirildi ⁹ Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Şekil 2: elektrokimyasal hücre A-B alkali toprak-sıvı metal alaşımlarının. Bir şematik elektrolit, elektrolit kapaklar, elektrot malzemeler, tungsten müşteri adayları ve ısıl (TC) ile emf ölçümleri için kullanılan elektrokimyasal hücre derleme. Referans elektrotlar 6 A-B alaşımları ikisidir ve 4 çalışma elektrotlar vardır. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Şekil 3: emf ölçümler için elektrokimyasal Kur. Elektrokimyasal hücre bileşenleri ve ilişkili bileşenleri uygun çalışma koşulları için bir örnek. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Şekil 4: deneysel kurulum araçları diyagramı. Soğutma su (düz, kalın), argon (düz, ince) ve emf ölçüm sistemi ile vakum (Kesikli) sıvı akışı bir şematik. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Şekil 5: Elektrokimyasal emf ölçümleri Ba-Bi alaşımlar (x_Ba = 0,05 - 0,20). Elektromotor kuvvet (E₁) ve sıcaklık ölçülen zaman soğutma ve Ba-Bi yeniden Isıtma üzerine bir fonksiyonu olarak (x_Ba = 0,05) | CaF₂- BaF₂| Ba-Bi (x_Ba = 0,05, 0,10 ve 0,20) hücre. Bu şekil Lichtenstein ve ark. değiştirildi ⁵ Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Şekil 6: Saf Ba vs Ba-Bi alaşım(_Ba x 0,05 =) emf değeri ayarlama. Elektromotor kuvvet (E_II) ölçülen sıcaklık bir Ba(s) kullanarak bir fonksiyonu olarak | CaF₂- BaF₂| Ba-Bi (x_Ba = 0,05) hücre. Bu şekil Lichtenstein ve ark. değiştirildi ⁵ Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Şekil 7: Emf ölçümleri Ba-Bi alaşımlar (_Ba x = 0,05 - 0,25). Elektromotor kuvvet (E_hücre) Ba-Bi için sıcaklık fonksiyonu olarak alaşımlar x_Ba = 0,05, 0,10, 0.15, 0,20 ve bir Ba(s) göre 0,25 | CaF₂- BaF₂| Ba-Bi (X_Ba = 0,05 - 0,25), düz çizgiler doğrusal uygun temsil nerede. Bu şekil Lichtenstein ve ark. değiştirildi ⁵ Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Şekil 8: Ba-Bi faz diyagramı. Deneysel olarak kararlı Ba-Bi faz diyagramı dayalı emf ölçümlerde tamamlayıcı Ba-Bi alaşımlar, DSC ve XRD karakterizasyonu üzerine nerede (rt) ve (ht) oda sıcaklığında ve yüksek sıcaklık, sırasıyla temsil eder. Bu şekil Lichtenstein ve ark. değiştirildi ⁵ Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Ba x	T (K)	∂Ehücre/∂T (μV K\u20121)	∂(ECell/T)/∂(1/T) (mV)	(J mol\u20121 K\u20121)	(kJ mol\u20121)
0,05	707-938	197 ± 6	1011 ± 5	38	-195.1
0,1	704-1048	137 ± 1	1031 ± 1	26,4	-199
0,15	728-1048	125 ± 2	1005 ± 2	24,1	-193.9
0,2	809-1048	94 ± 7	984 ± 6	18,1	-189.9
0,25	881-1048	73.4 ± 5	961 ± 5	14,2	-185.4
0,25	704-881	-480 ± 14	1448 ± 13	-92.6	-279.4

Tablo 1: Ba-Bi alaşımlarının termodinamik özellikleri (x_Ba = 0,05 - 0,25). Kısmi molar entropies değişiklik () ve kısmi molar enthalpies () besteleri x_Ba Ba-Bi için alaşım x_Ba 0,05 = emf değerleri, doğrusal uygun hesaplanan 0.25 = nerede yamaçları ve yakaladığını vardır ve , anılan sıraya göre. Bu tablo Lichtenstein ve arkdeğiştirildi. ⁵

Ba x	E (V)			LN bir Ba
	773 K	873 K	973 K	773 K	873 K	973 K
0,05	1.164	1.183	1.203	-35	-31.5	-28.7
0,10	1.137	1.15	1.164	-34.1	-30.6	-27.8
0,15	1.101	1.114	1.127	-33	-29.6	-26.9
0,20	1.075	1.066	1.076	-32.2	-28.3	-25.7
0,25	1.075	1.027	1.032	-32.2	-27.3	-24.6

Tablo 2: ölçülen emf değerleri (E) ve baryum bizmut içinde faaliyet doğal günlük (ln bir_Ba). Ba-Bi alaşımları ölçülen emf değerleri (x_Ba = 0,05 - 0,25) karşı Ba(s) ve baryum bizmut 773 K, 873 K ve 973 K. içinde faaliyet doğal günlük Bu tablo Lichtenstein ve ark. değiştirildi ⁵

Ba x mol fraksiyonu
Nominal	Ölçülen
0.03	0.03
0,05	0,05
0,10	0,09
0,15	0,14
0,20	0,20
0,25	0,25
0,30	0,30

Tablo 3: Nominal ve ölçülen baryum içerik Ba-Sb ikili alaşımların. Ba-Sb ikili alaşımları ölçülen ve nominal baryum içeriği. Baryum içerik Ba-Sb alaşımlarının İndüktif kullanarak plazma atomik emissio birleştiğinde doğrulandın spektroskopisi (ICP-AES). Bu tablo Lichtenstein ve ark. değiştirildi ¹²

Tartışmalar

Bu eser emf hücresindeki bir CaF₂kullanır-elektrot kompozisyon sabit bir sıcaklıkta değişti nerede coulometric titrasyon tekniği kullanan bir emf hücreye göre sabit besteleri, masif elektrolit ve elektrot malzemeleri dayalı. Coulometric titrasyon ile elektrot kompozisyon mükemmel coulombic verimliliği varsayarak Faraday'nın hukuk tarafından belirlenir. Ancak, büyük ölçüde reaktif alkalin - dünya orta çözünür (örneğin, Ba ~ 15 mol % çözünürlük BaCl₂) içinde elektrolit aracılığıyla elektronik iletim teşvik etmek ve doğru önleme kendi halide tuzları metallerdir coulometric titrasyon^7,13sırasında kompozisyon elektrot. Bu eser elektrokimyasal hücrede sabit besteleri, böylece coulometric titrasyon tarafından kompozisyon muhasebe belirsizlik ortadan kaldırarak, elektrot malzeme ile çalışır ve doğru emf ölçümleri toprak alkali alaşımlarının sağlar. Ayrıca, bu iş benzersiz elektrokimyasal hücrede termodinamik özellikleri değerlendirilmesi kompozisyonlar geniş bir aralığında hızlandırmak için aynı anda aynı deneyi içinde dört alaşım bestelerinden emf değerleri ölçer ve sıcaklıklar.

Ark-erimek ikili alaşımlardan imal eskisi gibi alaşımlar son kompozisyon elektrik ark ve metallerin yüksek buhar basıncı yüksek sıcaklık nedeniyle ilk kompozisyon sapma mümkündür. Doğru bir şekilde ikili alaşımların emf-sıcaklık ilişkisi bildirmek için onların kompozisyon İndüktif kullanarak plazma atomik emisyon spektroskopisi (ICP-AES), Ba-Sb sistem¹²için Tablo 3 ' te gösterilen birleştiğinde teyit edildi.

Elektrokimyasal hücre bileşenleri adım 2.3.4, yüksek kaliteli vakum alma zorlukları göre kurutma önce (< 10 mtorr) ortaya çıkabilir. O-ring vakum odası kurulum doğru onun paslanmaz çelik oluk oturabilir değil. Ayrıca ek epoksi için olası kaçakları tak için uygulanabilir alüminyum tüpler, epoksi mühürler bir boşluk olabilir. EMF ölçümler sırasında elektrik müşterileri kaybetmek A-B alaşımlar ve iletişim yavaşça alüminyum boru büküm tarafından alaşımları ile yeniden kurulmuş olabilir emf değerleri büyük dalgalanmalar gözlenir, böylece müşteri adayıyla sıvı alaşım ıslatma.

Zaman zaman emf değerleri soğutma ve Isıtma döngüleri arasında büyük bir histeresis sergileyebilirler. Genel olarak, bir histeresis döngüleri soğutma/Isıtma arasında emf değerlerden elektrolit özellikle yüksek alkali toprak konsantrasyonlarda reaktif elektrot besteleri ile bozulması (1) kaynaklı; (2) elektrot malzemeleri buharlaşma yüksek sıcaklıkları ve test odası içinde kalan oksijen oksidasyon nedeniyle bozulması; veya (3) sigara denge faz davranış elektrot reçetesi, etkileri ve soğutma döngüsü sırasında metastable aşamaları oluşumu undercooling de dahil olmak üzere.

Elektrot ve elektrolit arasındaki bozulma reaksiyon belirgindir, deneysel set-up çalışma sıcaklığı maksimum azaltarak elektrokimyasal hücre bozulması azaltmak için değiştirilebilir. Etkileri undercooling huzurunda, Isıtma döngüsü sırasında elde edilen emf değerler denge termodinamik özellikleri belirlemede yararlı. Metastable aşama oluşumu bir histeresis emf ölçümlerde neden olduğunda, elektrot malzemeleri faz davranışını tamamlayıcı teknikleri, örneğin, XRD, faz bileşenlerinin analizi tarafından yapısal karakterizasyon inceleme gerektirir elektron mikroskobu (SEM) enerji dağıtıcı spektroskopisi (EDS) ve faz geçiş sıcaklıklar DSC tarafından tarama tarafından. Faz geçiş veri de 1,223 K, yukarıdaki tarif emf ölçüm tekniği ile₂-AF₂ elektrolit aşağılamak için başlayabilir CaF elde etmek zor olabilir.

Bu eser emf ölçüm teknikte ikili alkali toprak-sıvı metal alaşımlar, etkinlik, kısmi molar entropi, kısmi molar entalpi ve faz geçiş sıcaklığında da dahil olmak üzere ampirik termodinamik özelliklerini belirlemek için kullanılabilir. Bu termodinamik veri olarak toprak alkali alaşımlarının tamamlayıcı teknikleri (XRD, DSC ve SEM) ile ikili faz diyagramları şekil 8⁵' olarak rafine bir deneysel olarak kullanılmaktadır. Her alkalin - dünya metal etkinlik değerlere (A = Ca, Ba ve Sr) sıvı metaller (B Bi ve Sb =), toprak alkali elementleri ve sıvı metaller arasındaki atomik etkileşimler gücünü mamüllerinin alkali-Dünya'yı ayırmak için kullanılacak olabilir fizyon ürünleri erimiş tuz çözümleri.

Malzemeler

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