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

Thomas P. Nigl; Nathan D. Smith; Timothy Lichtenstein; Jarrod Gesualdi; Kuldeep Kumar; Hojong Kim

doi:10.3791/56718

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化学

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

Published: November 03, 2017

doi:

10.3791/56718

Thomas P. Nigl¹, Nathan D. Smith¹, Timothy Lichtenstein¹, Jarrod Gesualdi¹, Kuldeep Kumar¹, Hojong Kim¹

¹Department of Materials Science and Engineering,The Pennsylvania State University

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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, Ba^{2 +}, Sr^{2 +}, 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 (Ba^{2 +}, Sr^{2 +}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 x_{Ba (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 x_Ba = 0.50, empleó culombiométrico titulación utilizando un electrólito de monocristal BaF₂en 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 E_celular (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 ().

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 Ca^{2 +}/Ca potencial redox (E⁰ =-5.59 V) es más negativa que otra potenciales redox de alcalinotérreos (e.g., , 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 Ba^{2 +} o iones^{2 +} 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:

,

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:

y la reacción general de la célula es:

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, , está dada por:

donde/ ftp_upload/56718/56718eq10.jpg “/ > es la parcial energía de libre de Gibbs molar de un metal en el metal B, libre de Gibbs estándar energía de puro un metal, R es la constante de gas ideal, T es la temperatura en Kelvin y un_Aes la actividad de la A en el metal B. La emf medido de la célula, E_celular, está directamente relacionada con el cambio en la energía de libre molar parcial de Gibbs de la A por la ecuación de Nernst,

donde F es la constante de Faraday.

Protocol

1. fabricación de componentes de la célula electroquímica fabricación de CaF binario 2-electrolito de AF 2 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). 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. Coloque la botella de plástico con la mezcla de sal en el molino de bolas (dos rodillos, 12.5 " longitud). Ajustar la velocidad del molino de bola a 250 revoluciones por minuto (RPM) y molino para 24 h. 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. 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. 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). 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. 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). 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). 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. 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. 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 Fabricación de los electrodos de la aleación de tierra alcalina 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. Coloque todas las piezas de metal en el centro del escenario arco-fundidor y asegurar el escenario. 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. 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. 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. 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. 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. Preparación de los cables eléctricos de tungsteno y termopar 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. 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. Mezclar aproximadamente 3 g de epoxy de curado rápido y endurecedor para 1 min, utilizando el extremo de un palillo de madera. 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). 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 2. Montaje de la celda electroquímica limpieza de los componentes de montaje de la celda electroquímica 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. 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. Carga de la celda electroquímica Asamblea colocar el electrolito sinterizado (paso 1.1) en el centro del crisol de alúmina en el portador de la cámara de prueba. 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. 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 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. Extracción de humedad y oxígeno del ensamblaje de la celda electroquímica para la medición de CEM 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. 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). 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. Bajo vacío activo (< 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. Una vez terminado el procedimiento de secado anterior, purgar la cámara con argón de alta pureza. Repetición de evacuación (< 10 mtorr) y purga de argón (~ 1 atm) al menos tres veces para asegurar una atmósfera inerte para la operación a temperaturas elevadas. 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). 3. Medidas electroquímicas establecer contacto eléctrico entre el ensamblaje de la célula y potenciostato 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. 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. Caja de enchufe 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. 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. 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. 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. 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 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. Colección de datos de temperatura y emf 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. 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.

Representative Results

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: 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. También se determinó la actividad de bario utilizando los valores de emf recogidos y la ecuación de Nernst: 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. 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 por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. 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. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. 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. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. 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. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. 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 por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. 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 por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. 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 por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. 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 por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. x Ba T (K) ∂E /∂ decélulasT (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 Tabla 1: propiedades termodinámicas de aleaciones Ba-Bi (xBa = 0.05 – 0.25). Cambio en las entropías molares parciales () y las entalpías molares parciales () 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 y , respectivamente. Esta tabla ha sido modificada de Lichtenstein et al. 5 x Ba E (V) LN una 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 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 Fracción molar, x Ba Nominal Mide 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 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

Discussion

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 (< 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.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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 & energía, República de Corea, la eficiencia energética & 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.

Materials

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

References

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Nigl, T. P., Smith, N. D., Lichtenstein, T., Gesualdi, J., Kumar, K., Kim, H. Determination of Thermodynamic Properties of Alkaline Earth-liquid Metal Alloys Using the Electromotive Force Technique. J. Vis. Exp. (129), e56718, doi:10.3791/56718 (2017).