Твердоэлектролитный ионный проводник Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

TECHNICAL SCIENCE / <<Ш1ШМУМ~^©УГМа1>#Ж1)),2©1]9

УДК 544.623

Бутенова А.К.1

старший преподаватель, магистр педагогических наук

Рахымбеков А.Ж.2

профессор,кандидат физико-математических наук, доцент ЖГУ имени И.Жансугурова

г. Талдыкорган, Республика Казахстан РР1: 10.24411/2520-6990-2019-10681 ТВЕРДОЭЛЕКТРОЛИТНЫЙ ИОННЫЙ ПРОВОДНИК

Butenova A.K.1

Senior Lecturer, Master of Education Rakhymbekov A.Zh.2

professor, candidate of physical and mathematical sciences, associate professor ZhGU named after I.Zhansugurov Taldykorgan, Republic of Kazakhstan

SOLID ELECTROLYTE ION CONDUCTOR

Аннотация

Рассмотрены уникальные транспортные свойства основных типов концентрационных суперионных ячеек на основе твердых оксидных суперионных проводников (ТОСП), в частности, из твердого оксидного суперионного проводника на основе стабилизированной двуокиси циркония. Исследованы три наиболее часто встречающиеся типы суперионных концентрационных ячеек , работающих при различных режимах: ячейка «без переноса», ячейка «с переносом без внешнего источника», ячейка для дозирования кислорода.

Abstract

ne unique transport properties of the main types of concentration superionic cells based on solid oxide superionic conductors (tosp) are Considered, in particular, from a solid oxide superionic conductor based on stabilized zirconium dioxide. The three most common types of superionic concentration cells operating under different regimes have been studied: the "no transfer" cell, the "no external source transfer" cell, and the oxygen dosing cell.

Ключевые слова: суперионик, газ, твердый электролит, ячейка, дозирование

Keywords: superionic, gas, solid electrolyte, cell, dosing

Транспортные свойства твердых оксидных Здесь R - универсальная газовая постоянная, F

суперионных проводников положены в основу - число Фарадея.

различных приложений. На перегородке из такого От формулы Нернста выражение отличается

материала, снабженной инертными электродами и множителем «ионная доля проводимости ионного разделяющей среды с разными химическими диалектрика» tu . Такие ячейки «без переноса» потенциалами кислорода (рис.1.а), существует используют для термодинамических исследований кислородная концентрационная электродвижущая , для газового анализа на кислород и для измерения сила (ЭДС), пропорциональная логарифму ионной доли проводимости оксидных отношения концентраций кислорода диалектриков [1].

RT Р1о2 m

02

<<шушетим~^©и©ма1>#ж1)),2(0]9 / technical science

Рис.1. Основные типы концентрационных ячеек из ТОИП.

Если в такой системе ионный диэлектрик -электронный проводник - кислородсодержащие среды электроды замкнуть на пассивную нагрузку, (рис. 1.б), то в цепи потечет ток, пропорциональный логарифму отношения концентраций кислорода. Такие ячейки «с переносом без внешнего источника» используют в качестве топливных элементов.

Если через подобную систему пропускать ток от внешнего источника, то можно регулировать содержание кислорода в одном из объемов ( рис.1.в). Приращение концентрации кислорода в объеме V за время т пропорционально току, проинтегрированному за это время,

Др = — • Г 1йт (2)

■'О 4 '

Такая ячейка «с переносом от внешнего источника» представляет собой наиболее общую модель кислородного насоса - устройства дозирования кислорода с помощью твердых оксидных ионных проводников.

С середины 60-х годов стало публиковаться много работ, главным образом, физико-химиков и электрохимиков, посвященных исследованию известных и поискам новых твердых кислородноионных проводников, а также развитию их приложений. Последним, наиболее крупным обобщением явилась монография В.Н.Чеботина и М.В. Перфильева[2].

Круг приложений стабилизированной ZrO2 расширяется. Путем измерения ЭДС электрохимических ячеек с электролитом из стабилизированной ZrO2 , кроме термодинамических измерений и газового анализа, проводят кинетические и диффузионные исследования измерение активности кислорода в расплавленном металле, измерение температуры, контроль газопроницаемости. Стабилизированную ZrO2 используют в качестве эталона при разработке методов измерения ионной доли проводимости оксидныхкерамических материалов[3].Ячейки с переносом кроме топливных элементов

используют в электролизерах для разложения воды и СО2 с целью получения кислорода и водорода, для разделения изотопов кислорода, исследования стехиометрии окислов, раскисления металлов, выращивания монокристаллов VO2 из расплава V2O5 , а также для электрохимической формовки ванадиевофосфатных стекол [4]. Одним из перспективных приложений «ячеек с переносом» является дозирование кислорода в газах.

В этом отношении перспективны материалы на основе оксидов IV В - примесные твердые оксидные ионные проводники (ТОИП), называемые также высокотемпературными или твердыми оксидными электролитами. Они отличаются исключительно кислородноионным переносом в широком диапазоне температур Т, и парциальных давлений кислорода Р. Высокотемпературную кубическую с решеткой флюорита модификацию диоксида циркония ZrO2 стабилизируют во всем диапазоне температур добавлением катионов меньшей валентности. Недостаток заряда компенсируется активными вакансиями, по ним осуществляется перенос анионов кислорода О-2. Твердый раствор ZrO2 +12 мол. % CaO при Т = 10000С имеет удельную электропроводность с =5,5-Ш"2(Ом-см)-1 и сохраняет ионную долю электропроводности ^ > 0,99 вплоть до парциального давления кислорода P = 10-20 атм. При меньших давлениях Р, часть кислорода покидает решетку, заряд компенсируется электронами, растет электронная составляющая проводимости, материал электролита деградирует «восстанавливается». На электродах перегородки из такого материала, разделяющий объемы с Р' > Рх, существует электродвижущая сила (ЭДС) Е:

„ RT Р1

E ---1П — (3)

4F РХ

(здесь R- универсальная газовая постоянная, F - число Фарадея, Т-температура окружающей

среды, Р1-парциальное давление кислорода в окружающей атмосфере равное 0.21-105 Па, Рх -ис-

_TECHNICAL SCIENCE / <<Ш1ШадУМ"^©УГМ&1>>#21№),2(Ж

комое давление кислорода). Это явление используют в топливных элементах, термодинамических исследованиях, газовом анализе.

Рис. 2. Принципиальная схема кислородного насоса.

Пропуская через такую перегородку ток от внешнего источника, дозируют кислород в одном из объемов. В этом состоит принцип кислородного насоса. В случае дозирования кислорода в газовом потоке (рис.2) перегородкой служит стенка трубки, которая с одной парой электродов образует качающую (КС), с другой - измерительную секцию (КС и

ИС). По трубке со скоростью $ пропускают инертный газ с концентрацией кислорода Р1. Значение Р на выходе кислородного насоса (КН) зависит от величины тока I в цепи КС:

т ЯГ , Р-1 ,.ч

I ---¡и-1 (4)

Г4Р Рх

где г - сопротивление перегородки или стенки трубки кислородного насоса.

Определяют Р по величине Е, измеряемой на электродах измерительной секции (ИС):

-АРЕ

Р = Р"ехр () (5)

(здесь Р0 - концентрация, или парциальное давление кислорода вне трубки равное 0,21-105Па).

Создание на основе твердых оксидных суперионных проводников или твердоэлектролитных датчиков (первичных преобразователей) и систем контроля и автоматизации - одно из интенсивно развивающихся направлений прикладной физики твердого тела. Именно в этом направлении на сегодняшний день достигнут наиболее осязаемые практические результаты[5].

Твердоэлектролитные датчики успешно конкурируют с другими типами первичных преобразователей и находят все более широкое практическое использование. Обусловлено это тем, что эти датчики обладают целым рядом преимуществ и часто позволяют решать такие практические задачи, ко-

торые другими средствами реально решить не удается. Наиболее широко используются датчики двух типов: потенциометрические и кулонометрические. Однако, предложены и начинают находить применение и датчики, в которых использованы другие принципы работы.

Твердоэлектролитные датчики успешно конкурируют с другими типами первичных преобразователей и находят все более широкое практическое использование. Обусловлено это тем, что эти датчики обладают целым рядом преимуществ и часто позволяют решать такие практические задачи, которые другими средствами реально решить не удается [6].

Список использованной литературы

1.Укше Е.А., Букун Н.Г. Твердые электро-литы/Укше Е.А., Букун Н.Г. - М.:Наука,2015.-146 с.

2.Чеботин В.Н., Перфильев М.В. Электрохимия твердых электролитов/ Чеботин В.Н., Перфильев М.В. - М.: Химия, 2014. - 345 с.

3.Рахымбеков А.Ж. Концентрационные ячейки на основе ТОИП/ Рахымбеков А.Ж., Садуакасова Р.А., Нурбосынова Г.С.//Наука и Просвещение. -2017. -13-ая международная научная практическая конференция. - ч.1, С.12-16.

4.Rakhymbekov A.Zh. Oxydenpump from ahardel ectrolyte / Global Science and innovation. - 2015. - Chicago, March 12-13th, p.296-298.

5. Рахымбеков А.Ж., Уразалиев У.И., Электролитическая очистка супериоником расплава полупроводника. Издательство «Проблемы науки», журнал Достижения науки и образования, №2, 02.02.2017г, Москва.

6.Рахымбеков А.Ж., Курманбаев А.А., Алму-хамбетовС.С., Мухашева М.Б., Алимбекова К.Ж. Электрохимическое определение кислороде в рас-плаве.Издательство «Проблемы науки», журнал «Научные исследования», XIII Международная

«ЭД1ШадУМ-^©1УГМ&1>>#Щ41Ш0]]9 / TECHNICAL SCIENCE научно - практическая конференция «Научные исследования: ключевые проблемы III тысячелетия» №2(13), Стр.6-9,2017г, Москва.