固态离子元素传感及应用PDF电子书下载

1 原子的电子分布、键性质和晶体缺陷 1

1.1 原子的电子分布 1

1.2 电子云和价键 1

1.3 键的杂化，σ键和π键 2

1.4 统计量子化学概念 2

1.5 薛定格（Schr？ndinger）方程式 5

1.6 用计算机模拟化学现象 7

1.7 固态离子导体的点阵结构 7

1.7.1 点阵结构 8

1.7.2 离子的点阵能 8

1.7.3 离子半径 8

1.8 晶体中的缺陷 9

1.8.1 晶体缺陷的类型 9

1.8.2 对点缺陷的讨论 10

1.9 缺陷平衡的能带理论 13

1.10 晶体中元素的扩散 13

1.10.1 Fick第一定律 13

1.10.2 Fick第二定律 14

1.10.3 扩散的热力学解释 14

1.11 固态离子导体中的电荷迁移 16

1.11.1 缺陷和电导率 17

1.11.2 电导率与气相分压的关系 18

1.11.3 过剩电子和电子空位导电的特征氧分压 19

参考文献 22

2 固态离子导体电性质的研究 23

2.1 交谱阻抗法研究离子电导率 23

2.1.1 正弦交流电路的基本知识 23

2.1.2 集中参数元件 23

2.1.3 复合元件和电路 24

2.1.4 两个时间常数的电路 28

2.2 分布参数的等效元件 31

2.2.1 传输线 31

2.2.2 分支型传输线 31

2.3 等效电路 31

2.4 离子迁移数（ti） 32

2.4.1 离子迁移数及其相应的气相分压范围 32

2.4.2 用不同的混合气体建立所需气相的化学位 33

2.4.3 离子迁移数的测定 33

2.5 固态离子导体电子导电性的测定 34

2.5.1 直流极化法 34

2.5.2 抽氧法 35

参考文献 36

3 固体离子导体结构的研究方法 38

3.1 基于对不同电磁波的反映 38

3.2 新一代材料模拟软件（Materials Studio） 40

参考文献 40

4 固体离子导体原电池及准确测量的条件 43

4.1 电动势法在测定热力学函数上的应用 43

4.2 固体离子导体原电池的工作原理 45

4.3 参比电极 48

4.3.1 气体参比电极 48

4.3.2 共存相参比电极 49

4.4 电极引线 56

4.5 影响电动势值准确测量的制约因素 57

4.5.1 电子电导的影响 57

4.5.2 副反应的影响 59

4.5.3 电极组分的平衡 63

4.5.4 温度梯度产生的热电势的影响 63

4.5.5 由于氧通过固体电解质的迁移所产生的误差 65

4.5.6 电极和电解质界面的化学稳定性 67

4.5.7 电池电动势的测量 69

参考文献 69

5 固体离子导体制备的一般方法和离子导体性能 71

5.1 直接合成法的反应原理 71

5.2 固体离子导体的制备方法 72

5.2.1 配料、制粉 72

5.2.2 成型 74

5.2.3 煅烧和烧成 76

5.3 固体电解质的致密性 78

5.3.1 密度和气孔率 78

5.3.2 物理比渗透性 79

5.4 固体电解质的抗热震性 79

参考文献 80

6 固体离子导体材料和氧离子导体 82

6.1 晶体化学数据 84

6.2 ZrO2-CaO电解质 86

6.3 ZrO2-MgO电解质 86

6.4 ZrO2-Y2O3电解质 87

6.5 ZrO2-Ln2O3电解质 90

6.6 CaZrO3基电解质 91

6.7 ThO2基电解质 91

6.8 HfO2（CaO）电解质 92

6.9 Bi2O3基电解质 92

6.10 β-Al2O3和β″-Al2O3电解质 94

参考文献 97

7 氧离子导体原电池在化合物热力学研究中的应用 99

7.1 氧化物的热力学研究 99

7.1.1 单一氧化物的热力学研究 99

7.1.2 复合氧化物的热力学研究 104

7.1.3 非化学计量氧化物的热力学研究 109

7.2 非氧化物体系的热力学研究 113

7.2.1 硫化物、硫酸盐的热力学研究 113

7.2.2 金属硅化物的热力学研究 116

7.3 合金体系的热力学研究 117

7.3.1 二元合金的热力学研究 117

7.3.2 金属间化合物的热力学研究 119

参考文献 120

8 氧离子导体传感法测金属熔体中氧活度 121

8.1 金属熔体中氧活度研究 121

8.1.1 金属熔体中氧活度和氧溶解度的测定 121

8.1.2 金属熔体中元素原子之间的相互作用 126

8.1.3 含合金元素金属熔体中氧活度的研究 129

8.1.4 以Fe-V-O体系为例说明 131

8.2 M-X-O熔体中氧化物的溶解度曲线的理论判断 137

8.3 有色金属熔体中组分和氧的活度 140

8.4 用氧浓差电池测定有色金属熔体中合金元素的活度 144

8.5 坩埚材料的选择 146

参考文献 148

9 氧离子导体传感法对炉渣的热力学研究 149

9.1 炉渣结构 149

9.2 炉渣活度 153

9.3 炉渣中FeO和FexO的活度 154

9.3.1 炉渣中FeO活度的测定 154

9.3.2 炉渣中FexO活度的测定 156

9.3.3 工厂中应用的炉渣氧活度测定装置 160

9.4 炉渣的透气性 164

参考文献 165

10 氧离子导体传感器在冶金中的应用 166

10.1 在炼钢、炼铁中的应用 166

10.1.1 氧传感器的有关问题 166

10.1.2 在推定转炉吹炼终点和调质上的应用 169

10.1.3 在RH真空处理中的应用 175

10.1.4 在钢包和钢锭模中的应用 176

10.1.5 在不锈钢冶炼中的应用 176

10.1.6 在转炉熔钢、炉渣和气相氧位的测定上的应用 177

10.1.7 在钢液连铸中的应用 178

10.1.8 在高炉中的应用 178

10.1.9 在球墨铸铁中的应用 179

10.1.10 长寿命氧传感器 180

10.2 在气体测氧中的应用 183

10.2.1 气体氧传感器的电池形式 184

10.2.2 燃烧过程控制 185

10.2.3 转炉内氧分压的测定 185

10.2.4 连铸中间包气氛的氧分压测定 185

10.2.5 在热处理等中的应用 185

10.2.6 在有色金属冶炼气相中的应用 187

参考文献 188

11 氧离子导体在气体分离、汽车尾气控制和燃料电池中的应用 191

11.1 氧离子导体在氧泵中的应用 191

11.1.1 气体分离的原理 191

11.1.2 适用于气体分离的固体氧离子导体 193

11.2 氧传感器在汽车尾气控制中的应用 193

11.3 固体氧化物燃料电池 195

11.3.1 燃料电池的工作原理 196

11.3.2 适合的氧离子导体 197

11.3.3 空气电极 198

11.3.4 燃料电极 198

11.3.5 相互连接材料 198

11.3.6 电压电流特性 199

参考文献 200

12 氧离子导体传感法对动力学的研究 202

12.1 扩散系数 202

12.2 固态和液态金属中氧的扩散 203

12.2.1 直流电压法 204

12.2.2 恒电流法 204

12.3 液态金属中氧的扩散研究 205

12.4 溶质对金属熔体扩散系数的影响 209

12.5 固态金属中氧扩散的测量 209

12.6 气-固相及气-液相反应的动力学研究 212

参考文献 217

13 二元化合物气体传感器 218

13.1 水蒸气传感器 218

13.2 SOx（SO2和SO3）传感器 219

13.3 NOx（NO和NO2）传感器 221

13.3.1 10余年前的研究工作 221

13.3.2 最近的研究工作 225

13.4 CO2传感器 225

13.5 NH3传感器 228

13.6 含砷气体传感器及其他传感器 229

13.7 极限电流型氧传感器 229

参考文献 230

14 氟离子导体及应用 232

14.1 碱土金属氟化物和稀土氟化物的固溶体 232

14.2 CaF2单晶在化合物热力学研究中的应用 234

14.3 CaF2单晶在金属体系研究中的应用 238

14.4 氟离子导体在碳、硫、硼、磷化合物热力学研究中的应用 244

14.4.1 碳化物的热力学研究 244

14.4.2 硫化物的热力学研究 246

14.4.3 硼化物和磷化物的热力学研究 247

参考文献 248

15 硫、磷、氮、碳、铝、硅传感器 250

15.1 硫离子导体及硫传感器 250

15.1.1 硫离子导体 250

15.1.2 硫传感器 253

15.2 磷传感器 255

15.3 氮化物导体和氮传感器 256

15.3.1 氮化物的性质 256

15.3.2 氮传感器 256

15.4 碳传感器 257

15.5 硅传感器 258

15.5.1 以SiO2-CaF2为辅助电极的硅传感器 258

15.5.2 以ZrO2+ZrSiO4为辅助电极的硅传感器 261

15.5.3 三相固体电解质硅传感器 264

15.5.4 莫来石（mullite）固体电解质硅传感器 265

15.6 铝传感器 268

15.6.1 ZrO2基固体电解质铝传感器 268

15.6.2 莫来石固体电解质铝传感器 269

15.6.3 β-Al2O3固体电解质铝传感器 270

参考文献 273

16 氢离子（质子）导体及其应用 274

16.1 500～1000℃质子导体 274

16.1.1 发现钙钛矿型质子导体 274

16.1.2 钙钛矿型材料产生质子导电的条件 275

16.1.3 质子导体H＋迁移性质的研究和原因 280

16.2 对近期研究最多的几种质子导体的讨论 281

16.2.1 BaCeO3基材料 281

16.2.2 CaZrO3（掺In）材料 282

16.2.3 Ba3Ca1.18Nb1.82O9-δ（又称BCN18）材料 283

16.2.4 其他高温质子导体材料 284

16.3 高温质子导体的制备 284

16.4 质子导体材料的应用 284

16.4.1 质子膜燃料电池中应用 284

16.4.2 质子导体用于催化合成 285

16.4.3 质子导体氢泵用于铝液脱氢 285

16.4.4 混合气体中氢的分离 286

16.4.5 监测样品热处理过程中H2的行为 288

16.4.6 监测室温金属样品的氢含量 289

16.4.7 最新报道的氢传感器 289

参考文献 289

17 碱金属离子导体和银离子导体及应用 292

17.1 碱金属离子导体 292

17.2 骨架结构 294

17.3 非晶态电解质 296

17.4 非晶态银的快离子导体 297

17.5 聚合物电解质 297

17.6 银离子导体的结构特征 298

17.7 碱金属离子和银离子导体在电池中应用示例 298

17.7.1 微功率电池 298

17.7.2 高能量密度电池 300

17.7.3 在电化学器件中的应用 301

参考文献 302

18 稀土金属、碱金属、碱土金属传感器和锑传感器 303

18.1 稀土金属传感器 303

18.1.1 La-β-Al2O3固体电解质的制备和性质 303

18.1.2 La-β-Al2O3固体电解质稀土传感器 306

18.1.3 REF3（CaF2）固体电解质的制备和性质 310

18.1.4 CeF3（CaF2）固体电解质的性质 313

18.1.5 YF3（CaF2）多晶固体电解质的制备和性质 313

18.1.6 LaF3（CaF2）镧传感器 315

18.1.7 YF3（CaF2）钇传感器 320

18.2 碱金属、碱土金属传感器 321

18.3 锑传感器 325

参考文献 326

19 辅助电极传感器测定副族金属的活度 328

19.1 需要研究的成分传感器 328

19.2 辅助电极型（auxiliary electrodes）成分传感器 329

19.2.1 辅助电极型Cr传感器 330

19.2.2 辅助电极型Mn传感器 332

参考文献 333

附录 334

附录1 元素周期表 334

附录2 原子的电子能级 334

附录3 无机化合物的颜色和离子的电子层结构等因素的关系 334

附录4 元素的电负性 335

附录5 离子半径 335

附录6 常用的几种化学位 338

附录7 C.H.P.Lupis等人对铁液中元素之间相互作用系数的推荐值 344

附录8 G.K.Sigworth和J.F.Elliott等人对稀液态铜合金的热力学数据的精选值 356

附录9 偏摩尔性质和过剩热力学性质 356

附录10 正规溶液（或规则溶液） 358

附录11 标准态的转换 360

参考文献 361

主要符号表 363

索引 365