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

JoVE Journal > Chemistry

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

化学

تحديد الخواص الحرارية للسبائك المعدنية الأرض قلوية السائل باستخدام تقنية القوة الدافعة الكهربائية

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

ويصف هذا البروتوكول بقياس القوة الدافعة الكهربائية للعناصر القلوية الأرضية في سبائك معدنية سائلة في درجات حرارة عالية (723-1,123 ك) لتحديد خواصها الحرارية، بما في ذلك النشاط، الانتروبيا المولى الجزئية، جزئية المولى حراري، والمرحلة الانتقالية درجات الحرارة، أكثر من مجموعة تكوين على نطاق واسع.

Abstract

وقد وضعت خلية كهروكيميائية رواية استناداً CaF₂ الحالة الصلبة المنحل بالكهرباء لقياس القوة الدافعة الكهربائية (emf) ثنائي السبائك المعدنية الأرض قلوية السائل كمهام التكوين ودرجة الحرارة من أجل الحصول على بيانات دينامي حراري. تتكون الخلية من مستقرة كيميائيا الحالة الصلبة CaF₂-إف₂ اﻻلكتروﻻيت (حيث A هو عنصر الأرض القلوية مثل Ca أو ريال با)، مع ثنائي سبائك ألف وباء (حيث ب هو المعدن السائل مثل ثنائية أو Sb) العامل الأقطاب، ومحض معدني مرجع القطب. يتم جمع بيانات emf على درجة حرارة تتراوح من 723 ك إلى 1,123 ك تزايدات 25 كيلو للتراكيب سبائك متعددة في التجربة ويتم تحليل النتائج تعطي قيم النشاط ومرحلة انتقال الحرارة وجزئية انتروبيس/انثالبيس المولى كل تكوين.

Introduction

يمكن مباشرة تحديد التغيير الجزئي المولى جيبس الحرة الطاقة من تفاعل كيميائي قياسات القوة الدافعة الكهربائية (emf) وتوفر الخصائص الحرارية دقيقة مثل النشاط ومحتوى حراري المولى جزئية جزئية الانتروبيا المولى¹. الحصول على البيانات الكيميائي الحراري أمر حاسم لمجموعة متنوعة من المواضيع البحثية في المجتمع المواد، من صقل مخططات المرحلة متعدد العناصر، إلى التحقق التجريبي المواد الأولى-مبدأ النمذجة، إلى تركيب جديد أنواع السبائك ذات خصائص مفيدة. في الآونة الأخيرة، استخدمت كيم وآخرون قياسات emf لتقييم جدوى استخدام أقطاب المعدن السائل لفصل الأنواع القلوية الأرض من الشوارد الملح المنصهر².

فصل الكهروكيميائية باستخدام الأملاح المنصهرة (مثلاً، بوكل ليكل) تكنولوجيا واعدة لفصل اليورانيوم والمعادن عنصران من الوقود النووي المستخدم لإعادة تدوير³. كما تتم معالجة الوقود المستخدم أنود في الملح المنصهر، منتجات الأنشطار ذات إمكانات معيار الحد الأدنى من اليورانيوم تتأكسد وتتراكم في الملح المنصهر أيونات المذاب (مثلاً، با^{2 +}ريال^{2 +}، Cs⁺والتراب النادر الكاتيونات المعدنية)⁴. ونتيجة لذلك، اﻻلكتروﻻيت الملح المنصهر يجب أن يكون دورياً استبدال و/أو معالجة إلحاقا بفصل منتجات الأنشطار المتراكمة⁴. للقلق بوجه خاص نواتج الأنشطار القلوي/القلوية-الأرض (با^{2 +}ريال^{2 +}وخدمات العملاء⁺) لأن هذه الأيونات يحمل إمكانات خفض معيار أدنى بين الكاتيونات التأسيسية، يجعلها صعبة لفصل من الحل الملح المنصهر.

لكن ليشتنشتاين et al. ثبت مؤخرا أن يسلك الباريوم انخفاض نشاط دينامي حراري في البزموت السائل (8.7 × 10^-12 في كسر الباريوم الخلد x_{بكالوريوس (Bi)} = 0.05، ك 1,123)، مما يعني قوية الذري التفاعلات بين الباريوم والبزموت⁵. كيم وآخرون، ولاحظ أن هذه التفاعلات تسبب في حدوث تحول في إمكانات ترسب أيونات الباريوم إلى قطب بزموت سائلة (-3.74 V إلى-2.49 الخامس مقابل Cl^–/Cl₂(ز))، مما يؤدي ترسب تفضيلية من الباريوم من إلى الحل اﻻلكتروﻻيت (BaCl₂-ليكل-كاكل₂-كلوريد الصوديوم، 16-29-35-20 mol %) في 773-973 ك⁶. يمكن الاستدانة هذا التحول في ترسب المحتملة باستخدام أقطاب المعدن السائل لفصل نواتج الأنشطار القلوي/القلوية-الأرض بشكل انتقائي من الكهرباء المستخدمة للمعالجة الكهروكيميائية للوقود النووي المستخدم. لتحديد صلاحية فصل نواتج الأنشطار القلوي/القلوية-الأرض من اﻻلكتروﻻيت الملح المنصهر، يجب أن تحدد الخصائص الحرارية لهذه العناصر في الفلزات السائلة المحتملين (مثلاً، مرتين، س. ب).

في دراسات سابقة، استخدمت دلست et al. المعايرة كولوميتريك تحديد الخواص الحرارية للسبائك الثنائية (مثل، با-بي، با-س. ب، با، الجريدة الرسمية)⁷. لسبائك با-بي حتى العاشر_با = 0.50، أنهم يعملون كولوميتريك المعايرة باستخدام اﻻلكتروﻻيت₂BaF واحد-كريستال في ك 1,123 ولاحظ قيم نشاط مماثل من الباريوم في البزموت (2.4 x 10^-12 في العاشر _{بكالوريوس (Bi)} = 0.05، ك 1,123). ومع ذلك، أفيد بأن النتائج لم تكن دقيقة بسبب حالة عدم اليقين فيما يتعلق بمحتوى الباريوم في سبائك ثنائية. معدن الباريوم رد الفعل للغاية وقابل للذوبان في أملاحها هاليد (~ 15 mol % في BaCl₂ في ك 1,163)، التي يمكن أن تسبب زيادة التوصيل الإلكترونية في الملح هاليد في ارتفاع درجات الحرارة ويؤدي إلى المحاسبة التركيبية غير دقيقة من خلال كولوميتريك معايرة. لتحديد خصائص السبائك الثنائية التي تحتوي على عناصر شديدة التفاعل دينامي حراري (مثلاً، المولى جزئية الزائد جيبس الحرة الطاقة، حراري المولى الجزئية، جزئية الانتروبيا المولى)، استخدمت الأسلوب emf الموصوفة في هذا البروتوكول.

يمكن تحديد خصائص الكيميائي الحراري للسبائك الثنائية عن طريق قياس التوازن خلية محتمل هفي_الخلية (أي، emf) سبيكة (أ-ب) بالنسبة إلى إمكانات مرجع أ معدنية نقية ثم، إمكانات الخلية ارتباطاً مباشرا بالتغيير في الطاقة الحرة جيبس المولى الجزئي (أو الكيميائية المحتملة) من رد فعل الخلية وفقا للعلاقة [نرنست] ().

لقياسات emf من سبائك القلوية من الأرض في هذا العمل، CaF إجراء أيون الفلوريد₂ يتم اختيارها كالكهرباء قاعدة لأن Ca^{2 +}/Ca الأكسدة المحتملة (ه⁰ =-5.59 V) هي سلبية أكثر من غيرها الأكسدة والاختزال القلوي الأرض إمكانات (مثلاً، ، مقابل/F و^–₂(ز) في ك 873) في نظام فلوريد⁸. وهذا يعني أن الكاف₂ أكثر مستقرة كيميائيا من فلوريد قلوية الأرض العربية الأخرى₂ (A = ريال أو با)، وأن مكتبة الإسكندرية^{2 +} أو أيونات^{2 +} ريال هي الأنواع اليكترواكتيفي في الكاف₂-BaF₂ والأفريقي لكرة القدم ₂-إطار النتائج الاستراتيجية₂ المنحل بالكهرباء، على التوالي. الاستفادة من ارتفاع ثبات CaF₂، مما يقلل من ردود فعل الجانب مع مكتبة الإسكندرية أو سبائك ريال فضلا عن الموصلية الأيونية CaF₂ في درجات الحرارة المرتفعة، CaF الثنائية الوحيدة كانت الكهرباء₂ -إف₂ ويعمل بنجاح لقياس دقة emf سبائك معدنية الأرض قلوية السائل ثنائي. ويؤكد تأكيدا لتشكيل اﻻلكتروﻻيت ثنائي على مرحلة واحدة مع تحليل حيود الأشعة السينية (XRD) في الشكل 1⁹.

ونفذ إمكانات سبيكة الأرض القلوية، الخلايا الكهروكيميائية التالية لقياس الخلية استخدام الحالة الصلبة ثنائي CaF₂-إف₂ (97 mol % CaF₂، 3 mol % AF₂) المنحل بالكهرباء¹⁰:

,

حيث القلوية – الأرض نقية المعدن A (A = Ca أو ريال أو با) الأفعال كمرجع مسرى (RE)، الصلبة CaF₂-إف₂ كالكهرباء، ثابتة سبائك أ-ب التكوين كعامل كهربائي (نحن)، وب معدن سائل مرشح مثل ثنائية أو بينالي الشارقة. ردود فعل هالفسيل في خلية كهروكيميائية،:

ورد فعل الخلية عموما:

حيث ه^– إلكترون تبادلا في ردود فعل الخلية و z هو عدد الإلكترونات وتبادل (z = 2 للعناصر القلوية الأرضية). لرد الفعل هذا العام، التغيير في الطاقة الحرة جيبس المولى جزئية من المعدن أ، ، وترد عليه:

حيث/ftp_upload/56718/56718eq10.jpg “/> هي الطاقة الحرة جيبس المولى الجزئي للمعادن في ب معدنية، جيبس الموحدة الحرة طاقة نقية معدن، R هو ثابت الغاز المثالي، T هي درجة الحرارة كلفن، و _أهو النشاط في باء معدنية Emf قياس الخلية،_الخليةمن ه، يرتبط ارتباطاً مباشرا بالتغيير في الطاقة الحرة جيبس المولى جزئي أ من المعادلة [نرنست]،

حيث F هو ثابت فاراداي.

Protocol

1-“تصنيع مكونات الخلية الكهروكيميائية” تلفيق CaF ثنائي 2-اﻻلكتروﻻيت 2 AF حساب الكتلة المطلوبة لكل مكون من الثنائي المنحل بالكهرباء لخليط ± 5.0 ز 350.0 مع 97 mol % CaF 2 و 3 mol 2% AF (مثلاً، 333.4 ز CaF 2 وز 16.6 من إطار النتائج الاستراتيجية 2)- التدبير وصب الخليط الملح في زجاجة بلاستيكية 1.5 لتر، جنبا إلى جنب مع حوالي 1.3 كجم من الزركونيا استقرت الإيتريا طحن وسائط الإعلام (3 مم) و 25.0 ± 0.1 غرام الكحول البولي فينيل (PVA, الموثق العضوية). قم بإضافة الكحول الأيزوبروبيل (IPA) حتى الزجاجة 4/5 كاملة. إغلاق الزجاجة ويهز يدوياً محتوياته لحوالي 1 دقيقة لتوزيع مكونات المخلوط بالتساوي. ضع زجاجة بلاستيكية مع خليط الملح في مطحنة الكرة (اثنين-كرات، 12.5 " طول). تعيين سرعة مطحنة الكرة إلى 250 الثورات في الدقيقة (لفة في الدقيقة) ومطحنة ل 24 h. صب الخليط من خلال غربال (مش 10) في عموم فصل وسائط الطحن وخليط الملح. استخدام زجاجة ضغط، شطف غربال طفيفة مع 10 مل أصد لالتقاط الخليط المتبقي. الجاف لخليط متجانس ناعم الكرة في غطاء دخان ح ~ 24 وثم طحن الخليط إلى مسحوق ناعم باستخدام مدافع الهاون والمدقة. ملاحظة: إذا كانت عملية التجفيف تحتاج إلى التسريع، يمكن وضع المقلاة على صفيحة تعيين إلى 373 ك. قياس 130.0 ± 1.0 غرام من مسحوق المنحل بالكهرباء والتحميل مسحوق شكل موحد إلى يموت بيليه (75 مم، والارتفاع 60 مم)- استخدام صحفي يموت، اضغط أونياكسيالي المسحوق مع 30 الآلام والكروب الذهنية للضغط لبيليه 2 دقيقة على شكل أخضر 75 مم في سماكة 17 ملم وقطرها. لإزالة بيليه من يموت بيليه، عكس يموت بيليه، وضع خاتم الفولاذ المقاوم للصدأ (101 مم القطر الخارجي (OD)، الارتفاع 35 مم، سماكة 4.8 مم) تركزت على رأس يموت بيليه مع بيليه تركزت داخل الحلبة. اضغط بعناية لكمه يموت بيليه مع شريط ~1.0 للضغط من أجل إزالة بيليه من الموت- استخدام مثقاب صغير (1 مم) خلق الثقوب التنصت (~0.5 ملم في العمق) في بيليه الخضراء وواحدة في الوسط وستة 25.4 مم متباعدة بشكل متساو بين مراكز الحفر. ثم استخدم بت الحفر الكبيرة (11.2 مم) لحفر الآبار السبعة توسيط يدوياً في الثقوب التنصت، كل واحد حوالي 12 مم العميق (حوالي ¾ الطريق من خلال بيليه)- لكل من قبعات اﻻلكتروﻻيت الست المطلوبة، قياس 4.5 ± 0.5 غم مسحوق اﻻلكتروﻻيت وتحميله المسحوق شكل موحد إلى يموت بيليه (19 مم، الارتفاع 50 مم)- أونياكسيالي اضغط مسحوق اﻻلكتروﻻيت مع 7.5 الآلام والكروب الذهنية لمدة 1 دقيقة إلى بيليه خضراء 19 مم × 10 مم في القطر، وسمك. لإزالة بيليه من يموت بيليه، عكس يموت بيليه، ضع حلقة الفولاذ المقاوم للصدأ (37.5 ملم OD، الارتفاع 30 ملم، وسماكة 3.5 ملم) تركزت على رأس يموت بيليه مع بيليه تركزت داخل الحلبة. اضغط لكمه يموت بيليه مع شريط ~1.0 للضغط من أجل إزالة بيليه من يموت بعناية. استخدام مثقاب صغير (2 مم) يدوياً حفر حفرة مركز من خلال كل الفصل ملاحظة: الكريات الخضراء من 1.1.8. و 1.1.10. مستعدون تلبد لتشكيل اﻻلكتروﻻيت صلبة الوحيدة في الخطوات التالية- لكل بيليه اﻻلكتروﻻيت كبيرة ومجموعة من ستة أحرف استهلالية اﻻلكتروﻻيت الصغيرة، طفيفة تغطية صفيحة أكسيد الألومنيوم (قطرها 10 سم، 4.65 مم) مع مسحوق الألومينا الخشنة لتسهيل فصل بيليه متكلس من لوحة الألومينا. ضع قطع الكهرباء على رأس مسحوق أكسيد الألومنيوم مثل أن لا تلامس بعضها البعض. مكان الجمعية المذكورة أعلاه من 1.1.11 في فرن مربع في درجة حرارة عالية. الملبدات القطع مع التشكيل الجانبي تدفئة التالية: 393 ك ح 12 لإزالة الرطوبة، 823 ك ح 12 ليحرق بها في بولي، وك 1,273 ح 3 الملبدات، مع كل تدفئة معدلات ك 5/دقيقة. بارد ثم إلى 298 ك بمعدل 2.5 ك/دقيقة تصنيع الأقطاب الكهربائية سبائك قلوية الأرض في الدرج الأمامي شغل الأرجون، قياس كتلة العنصرين من سبيكة ثنائية، مع كتلة مجتمعة على الأقل 6.0 غ (مثلاً، g 5.6 استقصاء المعلومات وز 0.4 من مكتبة الإسكندرية لسبائك با-بي في كسر الباريوم الخلد س با = 0.10). وضع في علبة وإزالتها من الدرج الأمامي. ملاحظة: يتم تخزين المعادن رد الفعل تحت الزيوت المعدنية لمنع الأكسدة. لإزالة الزيوت المعدنية، sonicate القطع المعدنية الأرض – القلوية في الأسيتون 10 س. مكان كل قطعة معدنية في وسط مرحلة قوس-المتسبب بعملية الذوبان وتأمين المرحلة. سحب فراغ في غرفة 3 دقيقة حتى يتحقق من فراغ تقريبا-1، 0 بار (الضغط المانومتري)، والتعبئة ثم مع الأرجون إلى 0.0 بار (الضغط المانومتري). كرر هذا الإجراء ثلاث مرات على الأقل لضمان جو خامل أرجون أثناء عملية انصهار القوس. إغلاق درع حماية العين في وحدة قوس-المتسبب بعملية الذوبان وتشغيل الحالية لإنشاء قوس كهربائية مستقرة بين المرحلة وتلميح التنغستن القوس-المتسبب بعملية الذوبان. تذوب القطع المعدنية في قطعة واحدة متجانسة وذلك بتعريض القطع للقوس الكهربائي. انصهار كافية يمكن تأكيد عدم وجود مراحل منفصلة يمكن ملاحظتها في قطعة سبيكة. ملاحظة: إذا كان يتم حاليا ذاب العناصر التفاعلية العالية، استخدام حالية مرتفعة لمدة أطول من ~ 5 s يمكن أن يؤدي إلى تبخير المواد ويسبب عدم تناسق في تكوين سبائك. بعد ذوبان القطع إلى سبيكة واحدة، إيقاف النظام الحالي والقوس-المتسبب بعملية الذوبان. فك المرحلة من الدائرة والوجه السبيكة المسمار المرحلة العودة إلى الدائرة القوس-المتسبب بعملية الذوبان. كرر 1.2.3-1-2-5 ثلاث مرات للنموذج سبيكة متجانسة. بعد إعادة صهر السبيكة، فك المرحلة من الدائرة مرة أخرى وكسر أو قطع السبيكة إلى ما يقرب من 3 إلى 6 أجزاء أصغر. مكان القطع على المسرح والمسمار المرحلة العودة إلى الدائرة القوس-المتسبب بعملية الذوبان. إعادة تذوب القطع في قطعة واحدة وفقا للخطوات 1.2.3-1.2.5. السماح للنظام بتبريد لدقيقة 3-5 فصل المرحلة من نظام قوس-المتسبب بعملية الذوبان، وتخزين السبيكة في كيس من بلاستيك. وضع الحقيبة تحت جو خامل أرجون (مثلاً، الدرج الأمامي) حتى الجمعية الختامي الخلايا الكهروكيميائية. ملاحظة: لكل تجربة، مرجع قطب سبيكة قطعتين ويصل إلى أربعة تعمل قطب سبيكة قطعة من التراكيب المختلفة سيكون مطلوباً. إعداد التنغستن الخيوط الكهربائية والحرارية قطع أسلاك التنغستن 6 (1 مم) 46 سم في الطول. يدوياً من الرمال على طول كل سلك إزالة الملوثات السطحية، مثل طبقة أكسيد، باستخدام ورق الصنفرة الحصباء 100. تنظيف سطح الأسلاك باستخدام مناديل ترطب مع الأسيتون. يؤدي إدراج السلك في أنبوب ألومينا (6.35 مم، وطولها 30.5 سم) التي تمنع المكشوف الكهربائية بين الكهربائية واختبار الفولاذ المقاوم للصدأ الدائرة أثناء القياس الكهروكيميائية. ترك حوالي 12.7 سم في نهاية واحدة (أسفل) كشريطسلك ه لجعل الاتصال مع أقطاب كهربائية، و 2.5 سم في الطرف الآخر (أعلى) ليؤدي تماس كهربائي مع بوتينتيوستات. ميكس حوالي 3 ز أبوكسي العلاج السريع ومقوي لمدة 1 دقيقة باستخدام نهاية عصا قضيب خشبي. مع السلك في الأنبوب، تطبيق حوالي 3 ز الإيبوكسي إلى نهاية العلوي من أنبوب لختم. وضع الأنبوب وسلك عمودياً باستخدام موقفا مختبر وتسمح الإيبوكسي علاج 15 دقيقة تكرار لكل سلك التنغستن (بقيادة الكهربائية)- إدراج نهاية الجزء السفلي من الحرارية 45 سم (نوع-K) في الجزء العلوي من أنبوب طويل الألومينا 30.5 سم جديدة وإغلاق الفجوة بين الأنبوبة الحرارية والألمونيوم باستخدام الإيبوكسي علاج سريع مشابهة للخطوة 1.3.4، تاركاً ~ 5 مم الحرارية تعرض في الجزء العلوي. تسمح الإيبوكسي علاج 15 دقيقة 2. الجمعية خلية كهروكيميائية تنظيف مكونات الجمعية خلية كهروكيميائية أمام الجمعية العامة خلية كهروكيميائية ودقة الرمال السطح الداخلي لغرفة الاختبار الفولاذ المقاوم للصدأ مع 100 ورقة صنفرة الحصباء حتى هناك أي تلوث مرئية على سطوح الفولاذ المقاوم للصدأ. تنظيف غرفة الاختبار، وسقف الغرفة، وبوتقة الألومينا (قطرها 8.2 سم، الطول سم 3.0) باستخدام الماء المتأين شطب وشطف مع أصد. Sonicate أجزاء التركيبات فراغ ويا الحلقات في الكحول لمدة دقيقة ~ 10 والسماح لهم الجاف داخل أفران التجفيف في ~ 373 ك تطبيق طلاء رقيقة من فراغ الشحوم إلى سين بين عصابات لتحسين نوعية الفراغ. قم بنقل جميع مكونات برنامج الإعداد الكهروكيميائية في الدرج أرجون مليئة الأمامي للجمعية- تحميل خلية كهروكيميائية الجمعية مكان اﻻلكتروﻻيت متكلس (الخطوة 1، 1) في وسط بوتقة الألومينا الموجودة في غرفة اختبار الناقل. تحميل ما يكفي من المواد قطب كهربائي في كل بئر أن الجزء العلوي من المواد تدفق مع سطح الكهرباء. ملء بئرين مع قطب مواد مرجعية (مثلاً، با-بي (س با = 0.05)) من نفس التكوين. قم بملء أربعة آبار مع العامل المادية القطب وكل جيدا بعد تركيبة مختلفة ( الشكل 2). في هذه الخطوة، تشكيل المواد ذاب القوس الكهربائي قريبة من شكل أسطواني من الآبار المنحل بالكهرباء وحفر مركزا من خلال ثقب (2 مم) للإدراج الكهربائية الرائدة باستخدام أدوات القطع (مثلاً، مخرطة صغيرة، لقم الثقب، إلخ) . ملاحظة: تقليل مدة التعرض لعينات من الهواء للتخفيف من الأكسدة. تتم الإشارة إلى أكسدة واسعة النطاق بوجود طبقة سطحية (مملة) غير لامع على العينات. لإزالة طبقة أكسيد، الرمال على سطح sample(s) استخدام ورق الصنفرة الحصباء 100 ونظيفة مع مسح جافة. إدراج الجمعية الرائدة الكهربائية (سلك التنغستن مع أنبوب الألومينا في 1.3) عن طريق الفراغ المناسب ميناء سقف الغرفة، لوحات يربك الدائرة، الثقب في حد أقصى المنحل بالكهرباء، وفي الحفرة في قطب سبائك. كرر هذا الإجراء لكافة أقطاب الست. قم بإدراج الحرارية من خلال الفراغ الأخير المنفذ المناسب وفي البئر السابعة في المركز. إيمانا راسخا لمس السطح اﻻلكتروﻻيت مع السبيكة. جمعية كاملة ويبين الشكل 2 و الشكل 3- ملاحظة: يجب أن كل سلك التنغستن إيمانا راسخا لمس السطح المنحل بالكهرباء. في حالة هشة جداً تكون تشكيلة السبيكة، سلك التنغستن يمكن عقد الضغط ضد السبيكة بالضغط على السلك ضد السبيكة وتأمين موقعها بتضييق الفراغ المناسب في الفراغ المناسب منفذ ضع يا الدائري الكبير في الاخدود من الجزء العلوي من قاعة فراغ الفولاذ المقاوم للصدأ. بدقة أقل الخلايا الكهروكيميائية المجتمعين في غرفة الاختبار. تشديد أمن جميع مكونات فراغ الختم والمشبك لغرفة الاختبار. إزالة الرطوبة والأكسجين من الجمعية خلية كهروكيميائية لقياس المجالات الكهرومغناطيسية تحميل غرفة الاختبار مجمعة في فرن بوتقة. ضع اثنين من طبقات متداخلة من عزل الألياف الزجاجية حول سطح مكشوف في دائرة الفراغ الذي ليس في الفرن ضمان توزيع درجة حرارة موحدة في خلية كهروكيميائية ومنع فشل الأختام الإيبوكسي في الجزء العلوي من الاختبار دائرة- إرفاق خطوط مياه التبريد لتبريد أنبوب مداخل ومخارج المنافذ الموجودة في غرفة الاختبار ( الشكل 3 و الشكل 4)- إرفاق خط فراغ/الأرجون بمنفذ مدخل غرفة الاختبار وإغلاق صمام المنفذ منفذ. إخلاء قاعة الاختبار حتى يتم قراءة قياس الفراغ أدناه متور 10- ملاحظة: إذا كان لا يمكن تحقيق مستوى الفراغ متور أقل من 10، الاختيار ختم المكونات من قاعة الاختبار، بما في ذلك س-خواتم، المشابك، أنبوب التجهيزات والايبوكسي الأختام. تحت فراغ نشط (< متور 10) وزيادة درجة حرارة الفرن إلى 373 ك ك 5/دقيقة بمعدل تدفئة واضغط على 10 h؛ وزيادة إلى 543 ك بنفس معدل التدفئة وعقد 10 حاء ملاحظة: يستغرق الإجراء التجفيف حوالي 20 h. بمجرد اكتمال عملية التجفيف أعلاه، تطهير الدائرة مع الأرجون فائقة النقاء. كرر عملية الإجلاء (< متور 10) والارغون تطهير (~ 1 atm) على الأقل ثلاث مرات لضمان جو خامل للعملية في درجات حرارة مرتفعة. بعد تطهير الأرجون الماضي، فتح صمامات كل مدخل ومخرج لغرفة الاختبار وضبط مقياس تدفق للحفاظ على تدفق مستمر الأرجون 50.0 مل/دقيقة عند ضغط الدائرة الغلاف الجوي المحيط (~ 1 atm). 3. القياسات الكهروكيميائية إنشاء الاتصال الكهربائية بين الجمعية الخلايا وبوتينتيوستات الاتصال العداد الكهربائي والكابل إشارة القطب من بوتينتيوستات مرة واحدة الفرن بلغ 543 ك. ملاحظة: كل الكبل الكهربائي (مثلاً، مرجع القطب، العداد الكهربائي، والعامل الكهربائي، الاستشعار عن الكابلات الكهربائي) على سد العجز في نهاية الكابل الذي يسمح باتصال الكهربائية- إرفاق إحدى قصاصات التمساح إلى نهاية الكبل الكهربائي الإشارة من بوتينتيوستات واشبكها على قيادة مسرى الإشارة الكهربائية من الجمعية الخلية. مربع التوصيل في العمل خمس قطب الكابلات، واحدة في كل منفذ 1 إلى 5، بتبديل الإرسال المتعدد (MUX). إرفاق إحدى قصاصات التمساح لكل الكبل الكهربائي العامل وقم بتوصيل كل قصاصة التمساح القيادة الكهربائية لكل قطب العامل من الجمعية خلية كهروكيميائية، مما يسمح لقياسات الجهد المتسلسل من خمسة أقطاب النسبية الأخرى إلى مسرى مرجع. ملاحظة: ينبغي أن تملك واحدة العامل الكهربائي نفس تكوين قطب مرجعي. فرق الجهد بين هذه الأقطاب متطابقة اثنين ينبغي أن يكون ما يقرب من الصفر، وينبغي أن ترصد من خلال قياس كامل. فرق جهد أقل من المتوسط 2-3 يشير إلى استقرار وموثوقية النظام الكهربائي المرجعي لقياسات دقيقة emf. إرفاق أحد طرفي كبل الأرض إلى غرفة الاختبار الفولاذ المقاوم للصدأ، وسد العجز في نهاية المباشرة الأخرىتلي في الأرض منفذ مخرج كهربائي. ملاحظة: هذا الإجراء يمنع فعالية الضوضاء الكهربائية القادمة من الفرن عناصر التدفئة لغرفة الاختبار الفولاذ المقاوم للصدأ بمثابة قفص فراديك خلال القياسات الكهروكيميائية. إنشاء برنامج باستخدام البرمجيات الكهروكيميائية لقياس الدائرة المفتوحة المحتملة (OCP) لكل قطب العمل تسلسلياً باستخدام البرمجيات بوتينتيوستات تحت جالفانوستاتيك وضع من – ملاحظة: البرنامج المخصص، متوفرة بالطلب وتدابير وسجلات الفوسفاط من كل قطب العامل، الدورية من خلال كل قطب العمل تسلسلياً على مر الزمن، مع كل دوران دائم لمدة 15 دقيقة. أن تدوير البرنامج من خلال مجموعة أقطاب العمل على تسجيل القياسات الفوسفاط في كل زيادة درجة الحرارة- زيادة الفرن درجة حرارة من 543 ك إلى ك 1,073 ك 5.0/دقيقة، حيث يصبح الكهرباء موصلة إيونيكالي لقياسات emf. ملاحظة: 1,073 ك، مسرى مرجع ينبغي في المنصهرة الكامل لإنشاء الاتصال الكهربائية مستقرة مع الكهرباء والكهربائية الرائدة لتعزيز الاستقرار من إمكانات القطب مرجع خلال قياسات emf. تعيين التشكيل الجانبي الحرارية من الفرن لركوب الدراجات الحرارية أثناء القياس emf ملاحظة: نطاق درجة الحرارة مرهون بسلوك الانتقال مرحلة التراكيب قطب كهربائي (مثلاً، ذوبان درجة الحرارة) فضلا عن تفاعلية لتكوين سبائك. ملف تعريف درجة حرارة نموذجية للدراسة با-بي وأنظمة سبائك ريال والثنائي، بين 723 و 1,073 ك، يرد أدناه. برنامج الفرن تحكم لخفض درجة حرارة الفرن من 1,073 ك إلى ك 723 وزيادة من 723 ك ك 1,073 في فترات 25 كيلو بمعدل تكثف ± 5 ك/دقيقة. تعقد في كل خطوة درجة الحرارة (الفاصل الزمني كل 25 كيلو)، درجة الحرارة ح 1-2 للسماح لمكونات للتوصل إلى التوازن الحراري والكهروكيميائيه. ملاحظة: التوازن الحراري هو التوصل إلى مجرد درجة حرارة الخلية ما زال ثابت داخل ± 1 ك في كل خطوة درجة الحرارة بواسطة الحرارية البيانات المعروضة بواسطة نظام حيازة (دق) البيانات المرتبطة بها- جمع بيانات درجة الحرارة و emf تسجيل درجة الحرارة خلية كهروكيميائية خلال دورة حرارية بأكملها باستخدام نظام دق الحرارية؛ وتشمل حدود درجة الحرارة العليا والسفلي من الفرن البرنامج ونوع الحرارية. يبدأ برنامج قياس emf في نفس وقت تسجيل درجة الحرارة- ملاحظة: قياس الفوسفاط كل قطب العمل ويقاس مسرى مرجع. ينبغي أن يكون القياس الفوسفاط بين قطبين مرجع أم أقل من 2-3- استخدام درجة حرارة الخلية والقياسات الفوسفاط من كل قطب العمل لتحديد قيم emf من سبيكة معدنية كل الأرض قلوية السائل كدالة لدرجة الحرارة. هي قيم الفوسفاط في درجة حرارة كل القيم emf بين أقطاب العمل ومرجع-

Representative Results

يعرض الرقم 5 قياسات emf عند التبريد وإعادة التسخين في خلية كهروكيميائية: با-بي (سبا = 0.05) | الأفريقي لكرة القدم2-BaF2| با-بي (سبا = 0.05 0.10 و 0.20)، حيث سبيكة با-بي في سبا = 0.05 يخدم ك قطب الإشارة5. الفرق المحتمل بين سبائك با-بي اثنين متطابقة في سبا = 0.05 يظل أقل من 2 السيارات من خلال قياس كامل، مما يدل على استقرار وموثوقية مسرى مرجع. للتراكيب سبائك في سبا = 0.10 و xبا = 0.20، يتم الحصول على ملف emf متماثل أثناء التسخين والتبريد الدورات، التي تشير إلى القيم emf استنساخه أثناء ركوب الدراجات الحرارية. في كل خطوة درجة الحرارة (الفاصل الزمني كل 25 كيلو)، تصل درجة حرارة الخلية وقيمة الخلية emf الحالة المستقرة الحرارية والكهروكيميائيه في أقل من 1-2 ح (الشكل 5)5. لتحديد الخواص الحرارية لسبائك با-بي ضد الدولة الموحدة لنقي Ba(s)، قيم emf با-بي (سبا = 0.05) يجب معايرة سبائك مرجع القطب فيما يتعلق بمكتبة الإسكندرية نقية. تتحدد قيم emf مسرى المرجعية فيما يتعلق بمكتبة الإسكندرية نقية باستخدام خلية كهروكيميائية منفصلة: Ba(s) | الأفريقي لكرة القدم2-BaF2| با-بي (سبا = 0.05)، ويتم عرض النتائج في الشكل 6. استخدام الخطية تناسب هذا القياس في سبا = 0.05 (الشكل 6)، emf قيم سبائك با-بي (Eالخلية) تتحدد بالنسبة إلى محض با معدنية5. يتم رسمها قيم emf سبائك با-بي، بالنسبة إلى Ba(s) نقية، كدالة لدرجة الحرارة في كل تشكيل قطب كهربائي، كما هو موضح في الشكل 7 للمحدد با-بي سبائك (سبا = 0.05-0.25)5. من خطي يناسب البيانات emf المرسومة مقابل درجة الحرارة، كان التغيير في الانتروبيا المولى جزئية محسوبة باستخدام المعادلة الحرارية التالية: وحراري المولى جزئية من الباريوم في البزموت يمكن حسابها باستخدام العلاقات الدينامية الحرارية مثل معادلة جيبس-هلمهولتز، كما هو موضح أدناه. ويرد في الجدول 15النتائج. كما تقرر نشاط الباريوم باستخدام قيم emf التي تم جمعها والمعادلة [نرنست]: ويرد في الجدول 25النتائج. قيم emf لسبائك با-بي (سبا = 0.05-0.80) واستخدمت أيضا لتحديد المرحلة الانتقالية درجات الحرارة لكل تكوين سبائك. بالاقتران مع مرحلة القياس (DSC) المسح التفاضلي انتقال البيانات، إلى جانب الحث بلازما الانبعاث الذري الطيفي (برنامج المقارنات الدولية–الخدمات المعمارية والهندسية) تكوين البيانات، مماثلة لتلك المعروضة في الجدول 312، وبنية بلورية واستخدمت البيانات من تحليل إكسرد، بيانات emf صقل المخطط با-ثنائية المرحلة الأخيرة عنها5،اوكاموتو (الشكل 8)11. الشكل 1: الكاف على مرحلة واحدة22 -إطار النتائج الاستراتيجية اﻻلكتروﻻيت الأطياف XRD. XRD الأطياف (تطبيع إلى ذروة أكثر كثافة لكل الطيف) للكاف2-إطار النتائج الاستراتيجية2 اﻻلكتروﻻيت قبل وبعد تلبد. تتوفر الصرفة (*) CaF2 وأنماط الحيود2 النتائج للمقارنة. وقد تم تعديل هذا الرقم من سميث et al. 9 الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم- رقم 2: خلية كهروكيميائية من سبائك معدنية الأرض قلوية السائل أ-ب. تخطيطي للجمعية خلية كهروكيميائية تستخدم لقياسات emf المنحل بالكهرباء، والقبعات المنحل بالكهرباء، ومواد القطب، يؤدي التنغستن، والحرارية (TC). هما من سبائك أ-ب 6 أقطاب المرجعية و 4 أقطاب العمل. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم- الشكل 3: الإعداد الكهروكيميائية لقياسات emf. مثال على عناصر خلية كهروكيميائية والعناصر المرتبطة بها لظروف التشغيل السليم. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم- الشكل 4: رسم تخطيطي للأجهزة من الإعداد التجريبية. تخطيطي لتبريد المياه (الصلبة، غامق) وارغون (الصلبة، رقيقة) وفراغ تدفق السوائل (متقطع) من خلال نظام قياس emf. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم- الشكل 5: قياسات emf الكهروكيميائية سبائك با-بي (سبا = 0.05-0.20). قياس القوة الدافعة الكهربائية (ه1) ودرجة الحرارة كدالة للزمن عند التبريد وإعادة التسخين درجة بكالوريوس-بي (سبا = 0.05) | الأفريقي لكرة القدم2-BaF2| با-بي (سبا = 0.05 0.10 و 0.20) الخلية. وقد تم تعديل هذا الرقم من ليشتنشتاين et al. 5 الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم- الشكل 6: سبائك با نقية مقابل با-بي(سبا = 0.05) emf قيمة المعايرة. قياس القوة الدافعة الكهربائية (الثانيمنه) كدالة لدرجة الحرارة باستخدام Ba(s) | الأفريقي لكرة القدم2-BaF2| با-بي (سبا = 0.05) الخلية. وقد تم تعديل هذا الرقم من ليشتنشتاين et al. 5 الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم- الشكل 7: قياسات Emf من سبائك با-بي (سبا = 0.05-0.25). سبائك القوة الدافعة الكهربائية (هخلية) كدالة لدرجة الحرارة لمكتبة الإسكندرية-بي في سبا = 0.05 0.10، 0.15، 0.20 و 0.25 استناداً Ba(s) | الأفريقي لكرة القدم2-BaF2| با-بي (سبا = 0.05-0.25)، حيث تمثل الخطوط الصلبة يناسب الخطي. وقد تم تعديل هذا الرقم من ليشتنشتاين et al. 5 الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم- الشكل 8: رسم تخطيطي للمرحلة با-بي- مخطط المرحلة با-بي مصممة تجريبيا استناداً إلى قياسات emf في تكملة مع توصيف DSC وزرد من سبائك با-بي، حيث (rt) و (ht) تمثل درجة حرارة الغرفة ودرجة حرارة عالية، على التوالي. وقد تم تعديل هذا الرقم من ليشتنشتاين et al. 5 الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم- × با T (K) ∂Eخلية/∂تي (μV ك\u20121) ∂(Ecell/T)/∂(1/T) (mV) (ي مول\u20121 ك\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 الجدول 1: الخصائص الحرارية لسبائك با-بي (xبا = 0.05-0.25). التغيير في انتروبيس المولى الجزئية () وجزئية انثالبيس المولى () لمكتبة الإسكندرية-بي سبائك التراكيب xبا = 0.05 إلى سبا = 0.25 محسوبة من خطي يناسب القيم emf، حيث المنحدرات و يتم اعتراض و ، على التوالي. وقد تم تعديل هذا الجدول من ليختنشتاين وآخرون. 5 × با ﻫ (V) ln با 773 ك 873 ك 973 K 773 ك 873 ك 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 الجدول 2: قياس قيم emf (E) وسجل الطبيعية لنشاط باريوم في البزموت (ln با). القيم المقاسة emf من سبائك با-بي (سبا = 0.05-0.25) مقابل Ba(s) وسجل الطبيعية لنشاط باريوم في البزموت في 773 ك وك 873 973 ك. وقد تم تعديل هذا الجدول من ليشتنشتاين et al. 5 كسر الخلد، س با القيمة الاسمية قياس 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 الجدول 3: الاسمية وقياس محتوى الباريوم من سبائك ثنائي با-س. ب. محتوى الباريوم القيمة الاسمية والقيمة المقاسة من سبائك ثنائي با-س. ب. وأكد محتوى الباريوم من سبائك Sb با استخدام الحث يقترن البلازما الذرية اميسيوn التحليل الطيفي (برنامج المقارنات الدولية–الخدمات المعمارية والهندسية). وقد تم تعديل هذا الجدول من ليشتنشتاين et al. 12

Discussion

يستخدم الخلية emf في هذا العمل CaF₂-على أساس المواد الصلبة اﻻلكتروﻻيت وقطب كهربائي في التراكيب الثابتة، بالمقارنة إلى خلية emf الذي يستخدم تقنية معايرة كولوميتريك حيث يتم تغيير تشكيل قطب كهربائي في درجة حرارة ثابتة. مع المعايرة كولوميتريك، يتحدد تكوين القطب بقانون فاراداي، افتراض كفاءة coulombic الكمال. المعادن الأرضية – قلوية عالية التفاعل غير القابلة للذوبان معتدل (مثلاً، مول با ~ 15% الذوبان في BaCl₂) في أملاح هاليد الخاصة بهم، والتي يمكن أن تعزز التوصيل الإلكترونية من خلال المنحل بالكهرباء والحيلولة دون مراقبة دقيقة تكوين القطب أثناء معايرة كولوميتريك⁷^،¹³. الخلية الكهروكيميائية في هذا العمل يعمل مع مواد القطب في التراكيب الثابتة، وبالتالي القضاء على حالة عدم اليقين في المحاسبة التركيبية بالمعايرة كولوميتريك، وتتيح قياسات emf دقيقة من سبائك قلوية الأرض. وعلاوة على ذلك، تدابير خلية كهروكيميائية فريدة من نوعها في هذا العمل القيم emf من التراكيب سبائك أربعة في وقت واحد داخل نفس التجربة للتعجيل بتقييم الخصائص الحرارية عبر طائفة واسعة من التراكيب و درجات الحرارة.

كما يستخدم في القوس-المتسبب بعملية الذوبان اختﻻق سبائك ثنائية، من الممكن أن التشكيل النهائي للسبائك يمكن أن تحيد عن التكوين الأولى بسبب ارتفاع درجة حرارة القوس الكهربائي وضغوط بخار عالية من المعادن. وأكد تركيبتها دقة تقرير العلاقة emf-درجة الحرارة من سبائك ثنائية، استخدام الحث يقترن بلازما الانبعاث الذري الطيفي (برنامج المقارنات الدولية–الخدمات المعمارية والهندسية)، كما هو مبين في الجدول 3 ل نظام با-س. ب¹².

قبل التجفيف عناصر خلية كهروكيميائية وفقا للخطوة 2.3.4، صعوبات في الحصول على فراغ عالية الجودة (< متور 10) قد تحدث. قد لا أن يجلسوا الدائري في الإعداد فراغ الغرفة بشكل صحيح في groove الفولاذ المقاوم للصدأ. قد يكون هناك أيضا فجوة في الأختام الإيبوكسي من أنابيب الألومنيوم، التي يمكن تطبيق الإيبوكسي إضافية لسد التسرب المحتمل. خلال قياسات emf، إذا كان العملاء المتوقعين الكهربائية تفقد الاتصال مع سبائك أ-ب ومراعاة التقلبات الكبيرة في قيم emf، قد تكون جهة الاتصال إعادة تأسيس مع السبائك بلطف التواء الأنبوب الألومينا، وبالتالي ترطيب السبيكة السائلة لزمام المبادرة.

أحياناً قد يحمل القيم emf التباطؤ كبير بين التبريد والتسخين دورات. وبصفة عامة، قد تنشأ التباطؤ emf القيم بين التبريد/التدفئة دورات من (1) تدهور المنحل بالكهرباء مع التراكيب القطب القائم على رد الفعل، لا سيما في تركيزات عالية القلوية من الأرض؛ (2) تدهور المواد قطب كهربائي بسبب التبخر في درجات الحرارة المرتفعة والأكسدة مع الأكسجين المتبقي داخل غرفة الاختبار؛ أو (3) مرحلة عدم التوازن سلوك المواد القطب، بما في ذلك أونديركولينج الآثار وتشكيل المراحل يتواجد أثناء دورة التبريد.

عندما يتضح رد فعل تدهور بين الكهربائي والكهرباء، يمكن تعديل الإعداد التجريبية للتخفيف من حدة تدهور الخلايا الكهروكيميائية بتخفيض الحد الأقصى درجة حرارة التشغيل. حضور أونديركولينج الآثار، يمكن استخدام قيم emf التي تم الحصول عليها خلال دورة تدفئة في تحديد خصائص توازن دينامي حراري. عندما يؤدي تشكيل المراحل يتواجد التباطؤ في قياسات emf أو سلوك مرحلة القطب المواد يتطلب التدقيق من خلال تقنيات تكميلية، مثلاً، وصف الهيكلية من زرد، تحليل المكونات المرحلة عن طريق فحص المجهر الإلكتروني (SEM) مع أطياف الطاقة المشتتة (EDS)، والمرحلة الانتقالية درجات الحرارة من DSC. كما قد تكون المرحلة الانتقالية بيانات يصعب الحصول عليها مع تقنية قياس emf الموصوفة أعلاه ك 1,223، كالكاف قد تبدأ₂-إف₂ اﻻلكتروﻻيت للحط.

يمكن استخدام تقنية قياس emf في هذا العمل تحديد الخواص الحرارية التجريبية لثنائي سبائك معدنية قلوية الأرض والسائلة، بما في ذلك النشاط، الانتروبيا المولى جزئية ومحتوى حراري المولى جزئية والمرحلة الانتقالية درجات الحرارة. وتستخدم هذه البيانات الديناميكية الحرارية كأساس تجريبي لتكرير مخططات المرحلة الثنائية من سبائك قلوية الأرض مع التقنيات التكميلية (زرد، دسك، ووزارة شؤون المرأة)، كما يتضح في الشكل 8⁵. استناداً إلى قيم النشاط لكل معدن الأرض – القلوية (A = Ca ومكتبة الإسكندرية، وريال) في الفلزات السائلة (ب = ثنائية وبينالي الشارقة)، قوة ذرية التفاعلات بين عناصر الأرض القلوية والفلزات السائلة يمكن أن تكون الاستدانة لفصل اليكتروتشيميكالي القلوية الأرض نواتج الأنشطار من حلول الملح المنصهر.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

أيد هذا العمل “لنا وزارة الطاقة”, مكتب الطاقة النووية الطاقة النووية برامج الجامعة (رقم الجائزة DE-NE0008425)؛ جامعة متكاملة برنامج زمالة الدراسات العليا (رقم الجائزة DE-NE0000113)؛ ووزارة التجارة والصناعة & الطاقة، وجمهورية كوريا، وكفاءة استخدام الطاقة في & الموارد الأساسية لبرنامج التكنولوجيا من المعهد الكوري لتقييم تكنولوجيا الطاقة والتخطيط (قطب) (رقم 20142020104190). نشر هذه المقالة مولت جزئيا “ولاية بنسلفانيا جامعة مكتبات مفتوحة الوصول النشر صندوق الدولة”.

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

Ipser, H., Mikula, A., Katayama, I. Overview: The emf method as a source of experimental thermodynamic data. CALPHAD: Comput. Coupling Phase Diagrams Thermochem. 34 (3), 271-278 (2010).
Kim, H., Smith, N., Kumar, K., Lichtenstein, T. Electrochemical Separation of Barium into Liquid Bismuth by Controlling Deposition Potentials. Electrochim. Acta. 220, 237-244 (2016).
National Research Council. . Electrometallurgical Techniques for DOE Spent Fuel Treatment: Final Report. , (2000).
Simpson, M. F. Projected Salt Waste Production from a Commercial Pyroprocessing Facility. Sci. Technol. Nucl. Install. 2013, 1-8 (2013).
Lichtenstein, T., Smith, N. D., Gesualdi, J., Kumar, K., Kim, H. Thermodynamic properties of Barium-Bismuth alloys determined by emf measurements. Electrochim. Acta. 228, 628-635 (2017).
Kim, H., Boysen, D. A., Ouchi, T., Sadoway, D. R. Calcium-bismuth electrodes for large-scale energy storage (liquid metal batteries). J. Power Sources. 241, 239-248 (2013).
Delcet, J., Delgado-Brune, A., Egan, J. J. Coulometric Titrations Using CaF2 and BaF2 Solid Electrolytes to Study Alloy Phases. Symp. Calc. Phase Diagrams Thermochemistry Alloy Phases. 275, 275-287 (1979).
Roine, A. . Outokummpu HSC Chemistry 5.1. Chemical Reaction and Equilibrium Software with Extensive Thermochemical Database. , (2002).
Smith, N. D., Lichtenstein, T., Gesualdi, J., Kumar, K., Kim, H. Thermodynamic Properties of Strontium-Bismuth Alloys Determined by Electromotive Force Measurements. Electrochim. Acta. 225, 584-591 (2017).
Kim, H., et al. Thermodynamic properties of Calcium-Bismuth alloys determined by emf measurements. Electrochim. Acta. 60, 154-162 (2012).
Okamoto, H. . Ba-Bi (Barium-Bismuth). , (1990).
Lichtenstein, T., Gesualdi, J., Nigl, T. P., Yu, C. T., Kim, H. Thermodynamic Properties of Barium-Antimony Alloys Determined by Emf Measurements. Electrochim. Acta. , (2017).
Wagner, C. Limitation of the Use of CaF2 in Galvanic Cells for Thermodynamic Measurements due to the Onset of Electronic Conduction under Reducing Conditions. J. Electrochem. Soc. 115 (9), 933-935 (1968).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite This Article

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).