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    加入穩(wěn)定劑的氧化鋯為何有良好的導(dǎo)電性

    發(fā)布時間: 2023-10-06  點擊次數(shù): 2063次

           純氧化鋯(ZrO2)不導(dǎo)電,摻雜一定比例的低價金屬物作為穩(wěn)定劑,如氧化鈣(CaO2)、氧化鎂(MgO)、氧化釔(Y2O3),就具有高溫導(dǎo)電性,成為氧化鋯固體電解質(zhì)。

           為什么加入穩(wěn)定劑后,氧化鋯就會具有很高的離子導(dǎo)電性呢?

           這是因為,摻有少量CaO2 的ZrO2混合物,在結(jié)晶過程中,鈣離子進(jìn)入立方晶體中,置換了鋯離子。由于鋯離子是+4價,而鈣離子是+2價,一個鈣離子進(jìn)入晶體,只帶入了一個氧離子,而被置換出來的鋯離子帶出了兩個氧離子,結(jié)果,在晶體中便留下了一個氧離子空穴。例如:(ZrO2)0.85 (CaO2)0.15這樣的氧化鋯(氧化鋯的摩爾分?jǐn)?shù)為85%、氧化鈣的摩爾分?jǐn)?shù)是15%),則具有7。5%的摩爾分?jǐn)?shù)的氧離子空穴,是成了一種良好的氧離子固體電解質(zhì)。

           在一個高致密的氧化鋯固體電解質(zhì)的兩側(cè),用燒結(jié)的方法制成幾微米到幾十微米厚的多孔鉑層作為電極,再在電極上焊上鉑絲作為引線,就構(gòu)成了氧濃差電池,如果電池左側(cè)通入?yún)⒈葰怏w(空氣),其氧分壓為p0;電池右側(cè)通入被測氣體,其氧分壓為p1(未知)。

           設(shè)p0 > p1,在高溫下(650…850℃),氧就會從分壓大的p0一側(cè)向分壓小的p1側(cè)擴(kuò)散,這種擴(kuò)散,不是氧分子透過氧化鋯從P0側(cè)到P1側(cè),而是氧分子離解成氧離子后,通過氧化鋯的過程。

           在750℃左右的高溫中,在鉑電極的催化作用下,在電池的P0側(cè)發(fā)生還原反應(yīng),一個氧分子從鉑電極取得4個電子,變成兩個氧離子(O2-)進(jìn)入電解質(zhì),即:O2(P0)+ 4e →2O2-P0側(cè)鉑電極由于大量給出電子而帶正電,成為氧濃差電池的正極或陽極。這些氧離子進(jìn)入電解質(zhì)后,通過晶體中的空穴向前運動到達(dá)右側(cè)的鉑電極,在電池的P1側(cè)發(fā)生氧化反應(yīng),氧離子在鉑電極上釋放電子并結(jié)合成氧分子析出,即:2O2- - 4e →O2(P1),P1側(cè)鉑電極由于大量得到電子而帶負(fù)電,成為氧濃差電池的負(fù)極或陰極。

           這樣在兩個電極上,由于正負(fù)電荷的堆積而形成一個電勢,稱之為氧濃差電動勢。當(dāng)用導(dǎo)線將兩個電極連成電路時,負(fù)極上的電子就會通過外電路流到正極,再供給氧分子形成離子,電路中就有電流通過。氧濃差電動勢的大小,與氧化鋯固體電解質(zhì)兩側(cè)氣體中的氧濃度有關(guān)。


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