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.

Chemie

Bestimmung der thermodynamischen Eigenschaften von Alkaline Erde-Liquid Metall-Legierungen mit der elektromotorischen Kraft-Technik

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

Dieses Protokoll beschreibt die Messung der elektromotorische Kraft der alkalischen Erden in flüssigen Metall-Legierungen bei hohen Temperaturen (723-1.123 K) ihrer thermodynamischen Eigenschaften, einschließlich Aktivitäten, partielle molare Entropie, teilweise Molar bestimmen Enthalpie und Phase Übergangstemperaturen, über einen breiten Zusammensetzung.

Abstract

Eine neue elektrochemische Zelle basierend auf einem CaF₂ Solid-State-Elektrolyt wurde entwickelt, um die elektromotorische Kraft (emf) von binären Alkaline Erde-Liquid Metall-Legierungen als Funktion der Zusammensetzung und Temperatur zu messen, um zu erwerben thermodynamischen Daten. Die Zelle besteht aus einem chemisch stabil Solid-State-CaF₂-AF₂ Elektrolyten (wo A ist die alkalische Erde Element oder Ca, Sr, Ba), mit binären A-B-Legierung (wo B ist das flüssige Metall wie Bi oder Sb) Elektroden und ein reines Metall arbeiten Referenzelektrode. EMF-Daten werden über einen Temperaturbereich von 723 K bis 1.123 K in Schritten von 25 K für mehrere Legierungszusammensetzungen pro Experiment und die Ergebnisse werden analysiert, um die Leistungswerte, Phase Übergangstemperaturen und partielle molare Entropien/Enthalpien für Ertrag Jede Komposition.

Introduction

Elektromotorische Kraft (emf) Messungen können direkt bestimmen, die teilweise molare Gibbs freie Energie-Änderung einer chemischen Reaktion und genaue thermodynamische Eigenschaften wie Aktivität, partielle molare Enthalpie und partielle molare Entropie¹. Der Erwerb der thermochemischen Daten ist entscheidend für eine Vielzahl von Forschungsthemen in der Gemeinschaft Materialien aus der Verfeinerung der Mehrkomponenten Phasendiagramme, die experimentelle Validierung von First-Prinzip Werkstoffmodellierung, um die Synthese von neuen intermetallischen Arten mit vorteilhaften Eigenschaften. Vor kurzem, Kim Et Al. verwendet emf-Messungen zur Beurteilung der Rentabilität der Verwendung von flüssiger Metall-Elektroden, um alkalische Erde Arten von geschmolzenem Salz Elektrolyte²zu trennen.

Elektrochemische Abscheidung mittels Salzschmelzen (z.B.LiCI-KCl) ist eine viel versprechende Technologie zur Trennung von Uran und dann Metalle aus gebrauchten Kernbrennstoff für recycling-³. Da verwendeten Brennstoffen als Anode in der Salzschmelze verarbeitet wird, Spaltprodukte mit niedrigeren standard Reduktionspotentiale als Uran werden oxidiert und reichern sich in der Salzschmelze als gelösten Ionen (z. B. Ba^{2 +}, Sr^{2 +}Cs⁺und seltene Erden Metallkationen)⁴. Folglich muss das geschmolzene Salz Elektrolyt in regelmäßigen Abständen ersetzt bzw. weiter getrennt gesammelten Kernspaltung Produkte⁴verarbeitet. Von besonderem Interesse sind Alkali/Alkali-Erden-Spaltprodukte (Ba^{2 +}Sr^{2 +}und Cs⁺), da diese Ionen die niedrigsten standard Reduktionspotentiale unter den konstituierenden kationen weisen, so dass sie schwer zu trennen aus dem geschmolzenen Salzlösung.

Jedoch Lichtenstein Et Al. vor kurzem gezeigt, dass Barium geringen thermodynamischen Aktivität in flüssiges Bismut weist (8,7 x 10^-12 bei Barium Maulwurf Bruchteil X_{Ba (im Bi)} = 0,05, 1.123 K), was bedeutet stark atomic Wechselwirkungen zwischen Barium und Wismut⁵. Kim Et Al. fest, dass diese Wechselwirkungen verursacht eine Verschiebung in die Ablagerung Potenziale von Barium-Ionen in einem flüssigen Wismut-Elektrode (-3.74 V-2.49 V vs. Cl^–/Cl₂(g)), was zu einem bevorzugten Ablagerung von Barium aus der Elektrolyt-Lösung (BaCl₂– LiCI-CaCl₂– NaCl, 16-29-35-20 Mol%) 773-973 K⁶. Diese Verschiebung in der Ablagerung potenzielle könnte genutzt werden, mithilfe von flüssigem Metall-Elektroden Alkali/Alkali-Erden Spaltprodukte selektiv aus dem Elektrolyten zur elektrochemischen Bearbeitung von gebrauchten Kernbrennstoff zu trennen. Um die Lebensfähigkeit der Trennung von Alkali/Alkali-Erden Spaltprodukte aus geschmolzenem Salz Elektrolyt zu ermitteln, müssen die thermodynamischen Eigenschaften dieser Elemente in die prospektive flüssigen Metallen (z.B., Bi, Sb) ermittelt werden.

In früheren Studien, Delcet Et Al. coulometrische Titration bestimmen die thermodynamischen Eigenschaften von binären Legierungen verwendet (z.B., Ba-Bi Ba-Sb, Ba-Pb)⁷. Für Ba-Bi-Legierungen bis zu X_Ba = 0,50, sie beschäftigt coulometrische Titration mit einem Einkristall BaF₂Elektrolyten bei 1.123 K und beobachtet vergleichbare Leistungswerte von Barium in Wismut (2,4 x 10^-12 auf x _{BA (im Bi)} = 0,05, 1.123 K). Jedoch wurde es berichtet, dass die Ergebnisse aufgrund der Unsicherheiten hinsichtlich Barium Inhalte in den binären Legierungen ungenau waren. Barium-Metall ist hoch reaktiv und löslich in seine Halogenid Salze (~ 15 Mol% BaCl₂ auf 1.163 K), können erhöhte elektronische Wärmeleitung in der Halogenidsalz bei höheren Temperaturen und führen zu ungenauen kompositorischen Buchhaltung während coulometrische Titration. Um die thermodynamischen Eigenschaften (z.B., überschüssige teilweise molare Gibbs freie Energie, partielle molare Enthalpie, partielle molare Entropie) von binären Legierungen mit hochreaktiven Elementen zu bestimmen, wurde die in diesem Protokoll beschriebene emf-Methode verwendet.

Thermochemische Eigenschaften von binären Legierungen können bestimmt werden durch die Messung der Gleichgewicht Zelle potenzielle E_Zelle (d.h., emf) einer Legierung (A-B) bezogen auf das Bezugspotential der reinen Metall A. Dann, das Zelle Potential bezieht sich direkt auf die Änderung in teilweise molare Gibbs freie Energie (oder chemische Potential) der Zelle Reaktion nach der Nernst-Relation ().

Für emf-Messungen der alkalische Erde Legierungen in dieser Arbeit, die Fluorid-Ionen-leitende CaF₂ Basis Elektrolyt gewählt, weil die Ca^{2 +}/Ca Redoxpotential (E⁰ =-5.59 V) ist mehr als andere negativ alkalische Erde Redox-Potentiale (z. B. , gegen^–F/f₂(g) bei 873 K) in der Fluorid-System⁸. Dies bedeutet, dass CaF₂ mehr chemisch stabiler als die anderen alkalischen Erden Fluorid AF₂ (A = Sr oder Ba), und dass Ba^{2 +} oder Sr^{2 +} -Ionen elektroaktive Spezies in der CaF₂– BaF₂ und CaF sind ₂– SrF₂ Elektrolyt, beziehungsweise. Nutzen die hohe Stabilität der CaF₂, die minimiert Nebenreaktionen mit Ba oder Sr Legierungen sowie die ionische Leitfähigkeit des CaF₂ bei erhöhten Temperaturen, der einphasigen binäre CaF₂-AF₂ Elektrolyt wurde erfolgreich eingesetzt, um die emf von binären Alkaline Erde-Liquid Metall-Legierungen genau zu messen. Bestätigung der Bildung des einphasigen binäre Elektrolyten wird mit Röntgenbeugungsanalyse (XRD) in Abbildung 1⁹bestätigt.

Um die Zelle zu messen war Potenzial einer alkalischen Erden Legierung, die folgende elektrochemische Zelle mit einer Solid-State-binäre CaF₂-AF₂ (97 Mol % CaF₂, 3 Mol % AF₂) Elektrolyt¹⁰implementiert:

,

wo das Alkali – Erde Reinmetall A (A = Ca, Sr und Ba) fungiert als Bezugselektrode (RE), solide CaF₂-AF₂ als Elektrolyt, feste Zusammensetzung A-B-Legierungen als arbeiten-Elektroden (wir) und B ist ein Kandidat flüssiges Metall wie Bi oder Sb. Die Halbzelle Reaktionen in der elektrochemischen Zelle sind:

und die gesamte Zelle Reaktion ist:

wo e^– ist ein Elektron in der Zelle Reaktionen ausgetauscht und z ist die Anzahl der Elektronen ausgetauscht (Z = 2 für alkalische Erden). Für diese allgemeine Reaktion, die Veränderung der teilweise molare Gibbs freie Energie des Metalls A , ist gegeben durch:

wo/ ftp_upload/56718/56718eq10.jpg “/ > ist die teilweise molare Gibbs freie Energie aus einem Metall in Metall B, ist der standard Gibbs freie Energie des reinen Metall, R ist die ideale Gaskonstante, T ist die Temperatur in Kelvin, und ein_Aist die Aktivität von A in b Metall. Gemessenen Zelle emf, E–_Zelle, bezieht sich direkt auf die Veränderung der teilweise molare Gibbs freie Energie von A durch die Nernst-Gleichung,

wobei F die Faraday-Konstante ist.

Protocol

1. Herstellung von elektrochemische Zelle Komponenten Herstellung von binären CaF 2-AF 2 Elektrolyt berechnen für jede Komponente der Binärdatei erforderliche Masse Elektrolyt für eine 350.0 ± 5,0 g Mischung mit 97 Mol % CaF 2 und 3 Mol % AF 2 (z. B. 333,4 g CaF 2 und 16,6 g SrF 2). Maßnahme heraus und das Salz Teig in einer 1,5 L Plastikflasche, zusammen mit etwa 1,3 kg Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkonoxid Fräsen Medien (3 mm Durchmesser) und 25,0 ± 0,1 g von Polyvinylalkohol (PVA, organisches Bindemittel). Fügen Sie dann Isopropylalkohol (IPA), bis die Flasche 4/5 ist voll. Verschließen Sie die Flasche und schütteln Sie manuell den Inhalt für ca. 1 min um die Bestandteile der Mischung gleichmäßig zu verteilen. Legen Sie die Plastikflasche mit der Salzmischung auf die Kugelmühle (zwei-Walzen, 12,5 " Länge). Stellen Sie die Geschwindigkeit der Kugelmühle, 250 Umdrehungen pro Minute (u/min) und Mühle für 24 h Gießen Sie die Mischung durch ein Sieb (10 Maschen) in einen Topf, der Mahlkörper und dem Salz Gemisch zu trennen. Mit einem Squeeze-Flasche, spülen Sie das Sieb leicht mit 10 mL der IPA, die restliche Mischung zu erfassen. Die Kugel-gefrästen homogene Mischung in einer Dampfhaube für ~ 24 h trocknen und Schleifen Sie die Mischung zu einem feinen Pulver mit einem Mörser und Pistill. Hinweis: Wenn die Trocknung beschleunigt werden muss, die Pfanne kann platziert werden auf einer heißen Platte setzen auf 373 K. Messen, 130.0 ± 1,0 g Elektrolyt-Pulver und Last das Pulver gleichmäßig in eine Pellet-Form (Durchmesser 75 mm, Höhe 60 mm). Mit Hilfe einer Presse sterben uniaxially drücken Sie das Pulver mit 30 MPa Druck, für 2 Minuten in Form einer grünen pellet-75 mm Durchmesser und 17 mm Dicke. Die Pellets aus der Pellet-Matrize entfernen, invertieren die Pellet-Matrize, platzieren Sie einen Edelstahl-Ring (101 mm Außendurchmesser (OD), Höhe 35 mm, 4,8 mm Dicke) zentriert auf den Pellet-Würfel mit dem Pellet zentriert innerhalb des Rings. Drücken Sie vorsichtig die Pellet sterben Schlag mit ~1.0 Bar Druck, die Pellets aus der Düse zu entfernen. Verwenden einen kleinen Bohrer (1 mm Durchmesser) erstelle ich klopfen Löcher (~0.5 mm in der Tiefe) in die grüne Kugel, eine in der Mitte und sechs gleichmäßig verteilte 25,4 mm zwischen den Bohrgerätmitten. Verwenden Sie die großen Bohrer (11,2 mm Durchmesser) manuell sieben Brunnen zentriert Bohren auf klopfen Löcher, jeweils etwa 12 mm tief (ca. ¾ des Weges durch das Pellet). Für jede der sechs Elektrolyt Kappen erforderlich, Messen, 4,5 ± 0,5 g Elektrolyt-Pulver und laden Sie das Pulver gleichmäßig in einen Pellet-Würfel (19 mm Durchmesser, 50 mm Höhe). Drücken Sie uniaxially die Elektrolyt-Pulver mit 7,5 MPa für 1 min in eine grüne Pellet 19 mm × 10 mm im Durchmesser und Dicke. Um die Pellets aus der Pellet-Düse entfernen, invertieren Sie die Pellet-Matrize, platzieren Sie einen Edelstahl-Ring (37,5 mm OD, 30 mm Höhe, 3,5 mm Dicke) zentriert auf den Pellet-Würfel mit dem Pellet zentriert innerhalb des Rings. Drücken Sie vorsichtig die Pellet sterben Schlag mit ~1.0 Bar Druck, die Pellets aus der Düse zu entfernen. Einen kleinen Bohrer (2 mm Durchmesser) verwenden, um manuell ein Mittelloch durch jede Kap. Bohren Hinweis: Grüne Holzpellets aus 1.1.8. und 1.1.10. sind bereit für das Sintern, einem einphasigen festen Elektrolyt in den folgenden Schritten bilden. Für jedes große Elektrolyt Pellet und Satz von sechs kleinen Elektrolyt Kappen, leicht Abdeckplatte eine Tonerde (10 cm Durchmesser, 4,65 mm dick) mit groben Aluminiumoxid-Pulver, die Trennung des gesinterten Pellets aus Aluminiumoxid-Platte zu erleichtern. Die Elektrolyt-Stücke auf das Aluminiumoxid-Pulver zu platzieren, so dass sie einander nicht berühren. Platzieren Sie die oben genannten Assembly vom 1.1.11 in einem Hochtemperatur-Box-Ofen. Die Stücke mit der folgenden Heizprofil Sintern: 393 K für 12 h, Feuchtigkeit, 823 K für 12 h zu entfernen, um die PVA ausbrennen und 1.273 K für 3 h zu Sintern mit Heizraten 5 K/min,. Abkühlen bis 298 K mit einer Rate von 2,5 K/min Herstellung von den alkalischen Erden Legierung Elektroden In einer Glovebox Argon gefüllt, Messen Sie die Masse der beiden Komponenten der binäre Legierung, mit einer kombinierten Masse von mindestens 6,0 g (z. B. 5,6 g Bi und 0,4 g Ba für Ba-Bi-Legierung bei Barium Maulwurf Bruchteil X Ba = 0,10). In eine Schale legen und entfernen Sie aus der Glovebox. Hinweis: Reaktive Metalle Lagern unter Mineralöl um Oxidation zu verhindern. Um das Mineralöl zu entfernen, beschallen die Alkaline – Erdmetall Stücke in Aceton für 10 s. Stellen alle Metallteile auf die Mitte der Bühne Bogen-Schmelzer und die Bühne sichern. Zug-Vakuum auf die Kammer für 3 min bis ein Vakuum von ca. -1,0 bar (Überdruck) erreicht ist und dann füllen mit Argon auf 0,0 bar (Überdruck). Wiederholen Sie diesen Vorgang mindestens dreimal um eine träge Argon-Atmosphäre während des Lichtbogens schmelzen Prozesses sicherzustellen. Schließen den Augenschutz Schild auf dem Bogen-Schmelzer-Gerät und schalten Sie den Strom zu einen stabilen Lichtbogen zwischen der Bühne und die Wolfram-Spitze des Arc-Schmelzer erstellen. Schmelzen Sie die Metallteile zu einem homogenen Stück, indem man die Stücke auf den Lichtbogen. Ausreichende schmelzen kann durch das Fehlen von beobachtbaren Phasen in der Legierung Stück bestätigt werden. Hinweis: Wenn hochreaktive Elemente geschmolzen wird sind, verwenden einen hohen Strom länger als ca. 5 s Verdampfung des Materials führen kann und zu Inkonsistenzen in Legierungszusammensetzung. Nach dem schmelzen die Stücke in einer einzigen Legierung schalten Sie den Strom und die Bogen-Schmelzer. Schrauben Sie die Bühne aus der Kammer, flip die Legierung, und Schrauben Sie die Bühne wieder in die Kammer des Arc-Schmelzer. Wiederholung 1.2.3 – 1.2.5 dreimal zu bilden eine homogene Legierung. Nach wieder schmelzen die Legierung, Schrauben Sie die Bühne wieder aus der Kammer und brechen oder die Legierung in ca. 3 bis 6 kleinere Stücke schneiden. Legen Sie die Stücke auf der Bühne und Schrauben Sie die Bühne wieder in die Kammer des Arc-Schmelzer. Schmelzen Sie die Stücke wieder in einem einzigen Rechtsakt entsprechend Schritte 1.2.3 – 1.2.5. Lassen Sie das System für ca. 3-5 min. trennen die Bühne aus dem Arc-Schmelzer System abkühlen lassen und die Legierung in einem Plastikbeutel aufbewahren. Legen Sie den Beutel unter inerten Argon Atmosphäre (z. B. Glovebox) bis zur endgültigen elektrochemische Zelle Vollversammlung. Hinweis: Für jedes experiment, zwei Referenzteile Elektrode Legierung und bis zu vier arbeiten Elektrode Legierung Stücke von verschiedenen Kompositionen werden. Vorbereitung der elektrischen Leitungen Wolfram und Thermoelement 6 Wolframdrähte (1 mm Durchmesser) 46 cm Länge abschneiden. Manuell Sand entlang der Länge jedes Drahtes Oberflächenverunreinigungen, z. B. eine Oxidschicht, mit 100 Körnung Schleifpapier entfernen. Der Drahtoberfläche mit Tüchern benetzt mit Aceton reinigen. Legen Sie der Draht in eine Aluminiumoxid-Rohr (Durchmesser von 6,35 mm, 30,5 cm lang), der verhindert elektrische Kurzschlüsse zwischen den elektrischen führt und Edelstahl-Test Kammer während der elektrochemischen Messung. Lassen Sie ca. 12,7 cm an einem Ende (unten) als Bare-Draht für die Herstellung Kontakt mit den Elektroden und 2,5 cm am anderen Ende (oben) für elektrischer Kontakt mit dem Potentiostaten führt. Ca. 3 g schnelle Heilung Epoxidharz und härter für 1 min, mit dem Ende eines Holz-Applikator Sticks mix. Mit dem Draht in das Röhrchen gelten ca. 3 g das Epoxidharz am oberen Ende des Rohres zu versiegeln. Legen Sie das Rohr und Draht vertikal mit einem Labor-Stand und ermöglichen das Epoxidharz für 15 min. Wiederholen Sie für jeden Wolframdraht (elektrischen Zuleitung) zu heilen. Legen Sie das untere Ende ein 45 cm-Thermoelement (Typ K) in den oberen Teil eine neue 30,5 cm langen Tonerde Tube und verschließen die Lücke zwischen dem Thermoelement und Aluminiumoxid mit eine schnelle Heilung Epoxy ähnlich Schritt 1.3.4, verlassen ~ 5 mm das Thermoelement an der Spitze ausgesetzt. Das Epoxidharz 15 min. aushärten lassen 2. Montage der elektrochemischen Zelle Reinigung der elektrochemischen Zelle Baugruppenkomponenten vor der Montage der elektrochemischen Zelle gründlich sand die innere Oberfläche des Edelstahl-Prüfkammer mit 100 Körnung Schleifpapier bis dort ist keine sichtbaren Verunreinigungen auf den Edelstahl-Oberflächen. Reinigen Sie die Prüfkammer, Kammer Kappe und Aluminiumoxid Tiegel (8,2 cm Durchmesser, 3,0 cm Höhe) mit deionisiertes Wasser und spülen Sie mit IPA. Die Teile des Vakuum Armaturen und die o-Ringe in Isopropanol für ~ 10 min beschallen und innerhalb der Trockenofen bei ~ 373 K. übernehmen eine dünne Schicht des Vakuum Fett, o-Ringe für Qualitätsverbesserung Vakuum trocknen lassen. Verschieben Sie alle elektrochemischen Setupkomponenten in einer Glovebox Argon gefüllt für die Montage. Laden der Assembly elektrochemische Zelle stellen das gesinterte Elektrolyt (Schritt 1.1) in den Mittelpunkt der Tonerde Tiegel befindet sich in der Test-Kammer-Träger. Laden genug Elektrodenmaterial in jede Vertiefung, so dass die Spitze des Materials bündig mit der Oberfläche des Elektrolyten ist. Füllen Sie zwei Brunnen mit Referenz-Elektrodenmaterialien (z.B. Ba-Bi (X Ba = 0,05)) mit identischer Zusammensetzung. Dann füllen Sie vier Brunnen mit arbeiten Elektrodenmaterial, auch jeweils eine andere Zusammensetzung ( Abbildung 2). In diesem Schritt Lichtbogen geschmolzen Elektrodenmaterialien in der Nähe die zylindrische Form der Elektrolyt Brunnen zu gestalten und bohren ein Zentrum durch Loch (Durchmesser 2 mm) zum elektrischen Zuleitung einfügen mit Bearbeitungsmaschinen (z.B. Mini-Drehmaschine, Bohrer, etc.) . Hinweis: Minimieren Sie die Dauer der Exposition der Proben in die Luft, Oxidation zu mildern. Umfangreiche Oxidation wird durch das Vorhandensein von einer nicht-glänzenden (Matt) Oberflächenschicht auf die Proben. Um die Oxidschicht zu entfernen, die Oberfläche der Probe(n) 100 Körnung Schleifpapier mit sand und mit einem trockenen Tuch reinigen. Legen Sie die elektrischen Zuleitung Assembly (Wolframdraht mit Tonerde Tube in 1.3) durch das Vakuum Port der Kammer GAP, Prallplatten der Kammer, das Loch in einem Elektrolyt-Kappe und in das Loch in einer Legierung Elektrode passend. Wiederholen Sie diesen Vorgang für alle sechs Elektroden. Dann legen Sie das Thermoelement durch das letzte Vakuum Port passend und in den siebten Brunnen in der Mitte. Berühren Sie die Elektrolyt-Oberfläche mit der Legierung fest. Komplette Baugruppe ist in Abbildung 2 und Abbildung 3 gezeigt. Hinweis: Jede Wolframdraht muss fest die Elektrolyt Oberfläche berühren. Wenn die Legierung zu bearbeitende zu spröde ist, der Wolframdraht stattfinden kann gegen die Legierung gedrückt indem Sie auf den Draht gegen die Legierung und Sicherung seiner Platzierung durch das Vakuum passend auf das Vakuum Port passend anziehen Legen den großen o-Ring in die Nut des oberen Teils der Vakuumkammer aus rostfreiem Stahl. Setzen Sie vorsichtig den montierten elektrochemische Zellen in der Prüfkammer. Alle Vakuum-Dichtungskomponenten und die Klemme der Prüfkammer festziehen. Entfernen von Feuchtigkeit und Sauerstoff aus elektrochemischen Zelle Assembly für emf-Messung laden die montierten Prüfkammer in einem Tiegel-Brennofen. Legen Sie zwei überlappenden Schichten Fiberglas Isolierung um die freiliegende Oberfläche der Vakuumkammer, die nicht in den Ofen zu verhindern, dass das Scheitern der Epoxy-Dichtungen an der Spitze des Tests zu gewährleisten eine gleichmäßige Temperaturverteilung in der elektrochemischen Zelle Kammer. Legen die Kühlleitungen Wasser an die Kühlung Rohr Einlass und Auslass Anschlüsse auf dem Test-Kammer ( Abbildung 3 und Abbildung 4). Legen die Vakuum/Argon-Linie auf der Ansaugöffnung der Prüfkammer und schließen Sie das Auslaßventil Port. Die Prüfkammer zu evakuieren, bis das Vakuummeter lesen unten 10 Mtorr ist. Hinweis: Wenn das Vakuumniveau nicht weniger als 10 Mtorr erreichen kann, Check Dichtungskomponenten der Prüfkammer, einschließlich o-Ringe, Schellen, Rohr Armaturen und Dichtungen mit epoxy. Unter aktiven Vakuum (< 10 Mtorr), die Ofentemperatur auf 373 K bei einer Heizrate von 5 K/min zu erhöhen und halten Sie für 10 h; 543 k auf die gleiche Aufheizgeschwindigkeit zu erhöhen und halten für 10 h. Hinweis: die Trocknung dauert etwa 20 h. Nach Abschluss der oben genannten Trocknungsvorgangs bereinigen die Kammer mit Ultra-hochreinem Argon. Wiederholen Sie die Evakuierung (< 10 Mtorr) und Argon bereinigen (~ 1 atm) mindestens dreimal in inerter Atmosphäre für den Betrieb bei erhöhten Temperaturen zu gewährleisten. Nach der letzten Argon zu löschen, öffnen Sie den Einlass und Auslass Ventile von der Prüfkammer und passen Sie den Durchflussmesser zur kontinuierlichen Argon von 50,0 mL/min bei ambient atmosphärischen Kammerdruck aufrechtzuerhalten (~ 1 atm). 3. Elektrochemische Messungen elektrischen Kontakt zwischen Zelle und Potentiostaten Elektrodenkabel der Zähler und die Referenz-Elektrode-Kabel aus dem Potentiostaten verbinden, sobald der Ofen verfügt über 543 erreicht K. Hinweis: Jede Elektrodenkabel (z. B. Bezugselektrode, Gegenelektrode, Arbeitselektrode, sensing Elektrodenkabel) hat einen Stecker am Ende des Kabels, die elektrische Verbindung erlaubt. Eine Krokodilklemme an das Ende des Referenz-Elektrode-Kabels aus dem Potentiostaten anfügen und befestigen Sie ihn auf der elektrischen Zuleitung der Bezugselektrode aus der Zelle Assembly. Plug in fünf Arbeiten Elektrodenkabel, einen in jeder Port 1 bis 5, auf dem Multiplex (MUX) Switch-Box. Jede Arbeit Elektrodenkabel beimessen Sie eine Krokodilklemme und schließen Sie jedes Krokodilklemme an der elektrischen Zuleitung für jedes Arbeitselektrode aus der elektrochemischen Zelle Assembly, zulassend sequentielle Spannungsmessungen die anderen fünf Elektroden relative um die Bezugselektrode. Hinweis: Eine Arbeitselektrode sollte die gleiche Zusammensetzung wie die Bezugselektrode besitzen. Die Spannungsdifferenz zwischen diesen zwei identischen Elektroden sollte etwa null sein und sollte während der gesamten Messung überwacht werden. Eine Spannungsdifferenz von weniger als 2 bis 3 mV zeigt die Stabilität und Zuverlässigkeit des Elektrodensystems Referenz für genaue emf-Messungen. Schließen Sie ein Ende des ein Massekabel der Edelstahl-Prüfkammer und stecken Sie das andere Ende Verwaltungs-beitragen in den Boden Anschluss an das Stromnetz an. Hinweis: Dieses Verfahren wirksam unterdrückt die elektrische Geräusche aus dem Ofen, Heizelemente, da die Edelstahl-Prüfkammer als einen Faradaic Käfig während der elektrochemischen Messungen dient. Erstellen Sie ein Programm mit elektrochemischen Software zu offenen Stromkreis potenzielle (OCP) für jede Arbeitselektrode nacheinander mit dem Potentiostaten Software unter Galvanostatic Modus messen. Hinweis: Das benutzerdefinierte Programm, Anfrage, gemessen und dokumentiert die OCP von jedem Arbeitselektrode drehen durch jede Arbeitselektrode nacheinander im Laufe der Zeit mit jeder Umdrehung dauert 15 min. erreichbar. Das Programm sollte durch den Satz von Arbeiten Elektroden zu Rekord OCP-Messungen bei jeder Temperatur Inkrement drehen. Erhöhen die Ofentemperatur von 543 K auf 1.073 KB bei 5,0 K/min, wo das Elektrolyt für emf-Messungen ionisch leitfähige wird. Hinweis: Bei 1.073 K, die Bezugselektrode sollte vollständig geschmolzen, stabilen elektrischen Kontakt mit dem Elektrolyten und elektrischen Zuleitung für verbesserte Stabilität des Referenz-Elektrode Potentiale während der emf-Messungen zu etablieren. Einstellung das Temperaturprofil des Ofens für Temperaturzyklen während der emf-Messung Hinweis: der Temperaturbereich ist abhängig von der Phase Übergangsverhalten der Elektrode Kompositionen (z. B. schmelzen Temperatur) sowie die Reaktivität der Legierungszusammensetzung. Ein typisches Temperaturprofil für das Studium des Ba-Bi und Sr-Bi-Alu-Systeme, zwischen 723 und 1.073 K, wird unten gegeben. Programm des Ofens Controller um die Ofentemperatur von 1.073 K bis 723 K zu verringern und von 723 K auf 1.073 K in Intervallen von 25 K mit einer Rampen Rate von ± 5 K/min ansteigen. Bei jeder Temperatur Schritt (jeweils 25 K-Intervall), halten die Temperatur für 1-2 h Komponenten thermischer und elektrochemische Gleichgewicht zu erreichen. Hinweis: Thermisches Gleichgewicht ist erreicht, sobald die Zellentemperatur stabil innerhalb von ± 1 K bei jeder Temperatur Schritt bleibt wie durch das Thermoelement-Daten angezeigt, indem die zugehörigen Daten-Erfassungssystem (DAQ) bezeichnet. Erfassung von Temperatur und emf erfassen die Temperatur der elektrochemischen Zelle während des gesamten thermischen Zyklus mit einem Thermoelement-Datenerfassungssystem; sind die obere und untere Temperaturgrenze des Ofens Programm und die Art des Thermoelementes. Das emf-Messprogramm zur gleichen Zeit wie die Temperaturaufzeichnung beginnen. Hinweis: Die OCP-Messung der einzelnen Arbeitselektrode wird gegen die Bezugselektrode gemessen. Die OCP-Messung zwischen zwei Referenzelektroden sollte weniger als 2-3 mV. Verwenden die Zelltemperatur und die OCP-Messungen der einzelnen Arbeitselektrode zur Bestimmung der emf-Werte jeder Alkaline Erde-Liquid Metall-Legierung als Funktion der Temperatur. Die OCP-Werte bei jeder Temperatur sind die emf-Werte zwischen den Arbeits- und Referenz Elektroden.

Representative Results

Abbildung 5 zeigt emf-Messungen nach auskühlen und Wiederaufheizen eine elektrochemische Zelle: Ba-Bi (XBa = 0,05) | CaF2- BaF2| BA-Bi (XBa = 0,05 und 0,10 0,20), wo eine Ba-Bi-Legierung bei XBa = 0,05 dient als Referenz-Elektrode-5. Die Potentialdifferenz zwischen zwei identischen Ba-Bi-Legierungen bei XBa = 0,05 bleibt weniger als 2 mV während der gesamten Messung zeigt die Stabilität und Zuverlässigkeit der Bezugselektrode. Für Legierungszusammensetzungen XBa = 0,10 und XBa = 0.20, eine symmetrische emf-Profil ergibt sich während der Heizung und Kühlung Zyklen, reproduzierbare emf Werte angibt, während Temperaturzyklen. Bei jedem Schritt Temperatur (jedes Intervall 25 K) erreichen die Zelltemperatur und der Wert der Zelle emf thermische und elektrochemische Fließgleichgewicht in weniger als 1-2 h (Abbildung 5)5. Bestimmung der thermodynamische Eigenschaften der Legierungen gegen den standard Zustand der reinen Ba(s), die emf-Werte des Ba-Bi Ba-Bi (XBa = 0,05) Legierung Bezugselektrode in Bezug auf reine Ba kalibriert werden muss. Die emf-Werte der Bezugselektrode in Bezug auf reine Ba werden mithilfe einer separaten elektrochemische Zelle bestimmt: Ba(s) | CaF2- BaF2| BA-Bi (XBa = 0,05) und die Ergebnisse sind in Abbildung 6dargestellt. Mit der linearen passt dieser Messung bei XBa = 0,05 (Abbildung 6), die Zeitwerte der Ba-Bi Legierungen (E-Zelle) sind im Vergleich zu reinen Ba Metall5emf. Die emf-Werte des Ba-Bi-Legierungen im Vergleich zu reinen Ba(s) werden als Funktion der Temperatur bei jeder Elektrode Komposition dargestellt, wie in Abbildung 7 gezeigt, für ausgewählte Ba-Bi-Legierungen (XBa = 0,05 – 0,25)5. Von linearen passt der emf Daten gegen die Temperatur aufgetragen war die Veränderung der partielle molare Entropie berechnet unter Verwendung der folgenden thermodynamischen Gleichung: und die partielle molare Enthalpie von Barium in Wismut kann berechnet werden mit thermodynamischen Beziehungen wie die Gibbs-Helmholtz-Gleichung, wie unten dargestellt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 15zusammengefasst. Die Aktivität von Barium wurde auch unter Verwendung der gesammelten emf-Werte und die Nernst-Gleichung bestimmt: Die Ergebnisse sind in Tabelle 25zusammengefasst. EMF-Werte für Ba-Bi-Legierungen (xBa = 0,05 – 0,80) wurden auch verwendet, um die Phase Übergangstemperaturen für jede Legierungszusammensetzung zu bestimmen. In Verbindung mit differential scanning Kalorimetrie (DSC) Phase Übergang Daten gekoppelt induktiv Plasma atomic Emission-Spektroskopie (ICP-AES) Zusammensetzung Daten, ähnlich wie in Tabelle 312und Kristallstruktur angezeigt Daten von XRD Analyse, emf Daten wurden verwendet, um die jüngsten Ba-Bi Phasendiagramm von Okamoto (Abbildung 8)5,11gemeldeten verfeinern. Abbildung 1: Einphasige CaF2- SrF2 Elektrolyt XRD Spektren. XRD Spektren (normiert auf die intensivste Höhepunkt für jedes Spektrum) von CaF2- SrF2 Elektrolyt vor und nach dem Sintern. Pure (*) CaF2 und SrF2 Beugungsmuster sind zum Vergleich zur Verfügung gestellt. Diese Zahl wurde von Smith Et Al. modifiziert 9 Klicken Sie bitte hier, um eine größere Version dieser Figur. Abbildung 2: elektrochemische Zelle A-B Alkaline Erde-Liquid Metalllegierungen. Eine schematische Darstellung der elektrochemischen Zelle Versammlung für emf-Messungen mit Elektrolyt Elektrolyt Kappen, Elektrodenmaterialien, Wolfram führt und Thermoelement (TC) verwendet. Zwei der 6 A-B-Legierungen sind Referenzelektroden und 4 Elektroden arbeiten. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. Abbildung 3: elektrochemische Setup für emf-Messungen. Eine Illustration der elektrochemischen Zelle Komponenten und der zugehörigen Komponenten für ordnungsgemäße Betriebsbedingungen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. Abbildung 4: Instrumentierung Diagramm der Versuchsaufbau. Eine schematische Darstellung des Kühlwasser (massiv, Fett), Argon (massiv, dünn), und Vakuum (gestrichelte) Strömung durch die emf-Messsystem. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. Abbildung 5: Elektrochemische emf-Messungen des Ba-Bi Legierungen (XBa = 0,05 – 0,20). Elektromotorische Kraft (E1) und Temperatur gemessen als Funktion der Zeit auf auskühlen und Wiederaufheizen Ba-Bi (XBa = 0,05) | CaF2- BaF2| BA-Bi (XBa = 0,05 und 0,10 0,20) Zelle. Diese Zahl wurde von Lichtenstein Et Al. modifiziert 5 Klicken Sie bitte hier, um eine größere Version dieser Figur. Abbildung 6: Reine Ba vs. Ba-Bi-Legierung(xBa = 0,05) emf Wert Kalibrierung. Elektromotorische Kraft (EII) als Funktion der Temperatur mit einer Ba(s) gemessen | CaF2- BaF2| BA-Bi (XBa = 0,05) Zelle. Diese Zahl wurde von Lichtenstein Et Al. modifiziert 5 Klicken Sie bitte hier, um eine größere Version dieser Figur. Abbildung 7: Emf-Messungen des Ba-Bi Legierungen (xBa = 0,05 – 0,25). Elektromotorische Kraft (E-Zelle) als Funktion der Temperatur für Ba-Bi-Legierungen bei XBa = 0.05, 0.10, 0,15, 0,20 und 0,25 basierend auf einem Ba(s) | CaF2- BaF2| BA-Bi (XBa = 0,05 – 0,25), wo feste Linien stehen für lineare passt. Diese Zahl wurde von Lichtenstein Et Al. modifiziert 5 Klicken Sie bitte hier, um eine größere Version dieser Figur. Abbildung 8: Ba-Bi-Phasendiagramm. Experimentell ermittelten Ba-Bi-Phasendiagramm basierend auf emf-Messungen in Ergänzung mit DSC und XRD Charakterisierung des Ba-Bi-Legierungen, wo (rt) und (ht) Raumtemperatur und hohen Temperaturen bzw. zu vertreten. Diese Zahl wurde von Lichtenstein Et Al. modifiziert 5 Klicken Sie bitte hier, um eine größere Version dieser Figur. x Ba T (K) ∂EZelle/∂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 Tabelle 1: thermodynamische Eigenschaften von Ba-Bi-Legierungen (XBa = 0,05 – 0,25). Änderung der partielle molare Entropien () und partielle molare Enthalpien () für Ba-Bi-Legierung Kompositionen XBa = 0,05 bis XBa = 0.25 aus linearen passt der emf-Werte berechnet wo die Pisten und Abschnitte sind und , beziehungsweise. Diese Tabelle wurde von Lichtenstein Et al.modifiziert. 5 x Ba E (V) ln einen 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 Tabelle 2: emf Messwerte (E) und den natürlichen Logarithmus der Aktivität von Barium in Wismut (ln einBa). Die gemessene emf-Werte des Ba-Bi Legierungen (XBa = 0,05 – 0,25) im Vergleich zu Ba(s) und den natürlichen Logarithmus der Aktivität von Barium in Wismut 773 K, 873 K und 973 K. Diese Tabelle wurde von Lichtenstein Et Al. modifiziert 5 Maulwurf Bruchteil x Ba Nominale Gemessen 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 Tabelle 3: Nominal und Barium Inhalt der Ba-Sb binären Legierungen gemessen. Der nominale und gemessenen Barium-Inhalt des Ba-Sb binären Legierungen. Barium-Inhalt der Ba-Sb-Legierungen wurde bestätigt, dass mit induktiv gekoppelten Plasma atomic emission-Spektroskopie (ICP-AES). Diese Tabelle wurde von Lichtenstein Et Al. modifiziert 12

Discussion

Die emf-Zelle in diesem Werk verwendet ein CaF-₂-basierte Elektrolyt und Elektroden Feststoffe bei festen Kompositionen, im Vergleich zu einer emf-Zelle, die eine coulometrische Titration Technik verwendet wo ist die Elektrode Zusammensetzung bei einer konstanten Temperatur verändert. Mit coulometrische Titration bestimmt die Elektrode Zusammensetzung Faradaysches Gesetz, perfekte Coulomb Leistungsfähigkeit vorausgesetzt. Hochreaktive Alkaline – Erden und Metalle sind jedoch mäßig löslich (z. B.Ba ~ 15 Mol % Löslichkeit in BaCl₂) in ihrer eigenen Halogenid Salze, die Förderung der elektronischen Wärmeleitung durch den Elektrolyten und genaue Steuerung der verhindern kann der Zusammensetzung der Elektrode während coulometrische Titration⁷^,¹³. Die elektrochemische Zelle in diesem Werk arbeitet mit Elektrodenmaterialien bei festen Kompositionen, wodurch Unsicherheit in der kompositorischen Buchhaltung durch coulometrische Titration und ermöglicht genaue emf-Messungen der alkalische Erde Legierungen. Darüber hinaus misst die einzigartige elektrochemische Zelle in diesem Werk die emf-Werte der vier Legierungszusammensetzungen gleichzeitig innerhalb der gleichen Experiment, die Bewertung der thermodynamischen Eigenschaften über einen weiten Bereich von Kompositionen zu beschleunigen und Temperaturen.

Da der Bogen-Schmelzer verwendet wird, um die binären Legierungen herzustellen, ist es möglich, dass die endgültige Zusammensetzung der Legierungen von der ursprünglichen Zusammensetzung aufgrund der hohen Temperatur des Lichtbogens und der hohen Dampfdruck der Metalle abweichen kann. Um die emf-Temperatur-Beziehung der binären Legierungen genau zu berichten, war ihre Zusammensetzung mit induktiv gekoppelt Plasma atomic Emission Spektroskopie (ICP-AES), wie in Tabelle 3 für die Ba-Sb System¹²bestätigt.

Vor dem Trocknen der elektrochemische Zelle Komponenten gemäß Schritt 2.3.4, Schwierigkeiten bei der Beschaffung von qualitativ hochwertigen Vakuum (< 10 Mtorr) auftreten. Der o-Ring in die Vakuumkammer-Setup kann nicht korrekt in seiner Edelstahl-Nut sitzen. Es kann auch sein, eine Lücke in den Epoxy-Dichtungen der Tonerde Rohre, auf die zusätzliche Epoxy angewendet werden kann, um mögliche Lecks zu stopfen. Bei emf-Messungen wenn die elektrischen Leitungen verlieren den Kontakt zu den A-B-Legierungen und große Schwankungen der emf-Werte eingehalten werden, Kontakt mit den Legierungen wiederhergestellt werden kann, durch das sanft drehen das Aluminiumoxid-Rohr, Benetzung dadurch die flüssige Legierung an die Spitze.

Gelegentlich können die emf-Werte eine große Hysterese zwischen Kühlung und Heizung Zyklen aufweisen. Im Allgemeinen kann eine Hysterese von emf-Werten zwischen Kühlung/Heizung Zyklen (1) den Abbau von Elektrolyten mit reaktiven Elektrode Kompositionen, vor allem bei hohen Konzentrationen der alkalische Erde stammen; (2) den Abbau von Elektrodenmaterialien durch Verdampfung bei erhöhten Temperaturen und Oxidation mit der Restsauerstoff in der Prüfkammer; oder (3) nicht-Gleichgewichts-Phasenverhalten der Elektrodenmaterialien, einschließlich Unterkühlung Effekte und die Bildung von metastabile Phasen während des abkühlenden Zyklus.

Wenn die Abbau-Reaktion zwischen der Elektrode und der Elektrolyt ersichtlich ist, kann der Versuchsaufbau geändert werden, um den Abbau der elektrochemischen Zelle zu mildern, durch eine Verringerung der maximalen Betriebstemperatur. In Anwesenheit von Unterkühlung Effekte, können emf-Werte während des Heizung Zyklus eingesetzt werden, bei der Bestimmung der thermodynamischen Eigenschaften Gleichgewicht. Wenn die Bildung der metastabile Phasen eine Hysterese im emf-Messungen verursacht, erfordert das Phasenverhalten von Elektrodenmaterialien Kontrolle durch sich ergänzende Techniken, z.B., strukturelle Charakterisierung von XRD, Analyse der Phase-Bestandteile durch Rasterelektronenmikroskopie (SEM) mit Energie-dispersive Spektroskopie (EDS) und Phase Übergangstemperaturen per DSC. Phase Übergang Daten können auch schwierig sein, mit den beschriebenen emf-Messtechnik über 1.223 KB, CaF zu erhalten, die₂-AF₂ Elektrolyt zu verschlechtern beginnen kann.

Die emf-Messtechnik in dieser Arbeit kann verwendet werden, um die empirische thermodynamischen Eigenschaften von binären Alkaline Erde-Liquid Metall-Legierungen, wie Aktivität, partielle molare Entropie, partielle molare Enthalpie und Phase Übergangstemperaturen bestimmen. Diese thermodynamischen Daten werden als versuchsweise zur Raffination binäre Phasendiagramme alkalische Erde Legierungen mit komplementären Techniken (XRD, DSC und SEM), wie in Abbildung 8⁵eingesetzt. Basierend auf den Werten der Aktivität jedes Alkaline – Erde Metall (A = Ca “,” Ba “und” Sr) in flüssigen Metallen (B = Bi und Sb), die Stärke der atomaren Wechselwirkungen zwischen alkalischen Erden und flüssigen Metallen kann genutzt werden, um elektrochemisch alkalische Erde trennen Spaltprodukte aus geschmolzenen Salzlösungen.

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Diese Arbeit wurde durch das US Department of Energy, Büro der Kernenergie Kernenergie Universitätsprogramme (Award Nr. unterstützt. DE-NE0008425); Integrierte University Programm Graduate Fellowship (Award Nr. DE-NE0000113); und das Ministerium für Handel, Industrie & Energie, Republik Korea, die Energieeffizienz & Ressourcen Kern-Technologieprogramm des Korea Institute of Energy Technology Evaluation und Planung (KETEP) (Nr. 20142020104190). Veröffentlichung dieses Artikels wurde zum Teil von The Pennsylvania State Bibliotheken Open Access Publishing Universitätsfonds finanziert.

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

Referenzen

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

Diesen Artikel zitieren

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).