Материал для электродов электрохимических датчиков кислорода

 

Использование: для изготовления электродов электромеханических датчиков кислорода. Сущность изобретения: материал содержит 30 - 46 мас.% оксида редкоземельного элемента, 4 - 20 мас.% оксида кальция, 2 - 20 мол.% оксида цинка или кадмия, а также оксид хрома. 1 табл.

Изобретение относится к высокотемпературной электрохимии, в частности к электрохимическим устройствам с твердым электролитом, и касается материалов, обладающих хорошей электропpоводностью при высоких и средних температурах в средах с различным содержанием кислорода, используемых для изготовления электродов электрохимических датчиков (ЭХД) кислорода.

Материалы, из которых изготовляются электроды ЭХД, должны удовлетворять определенным физическим, химическим и электрохимическим критериям: высокая электропроводность и температура плавления; хорошее согласование коэффициентов термического расширения (КТР) материалов электрода и твердого электролита; химическая стабильность в окислительной и восстановительной средах и др.

Известно использование в качестве электродного материала благородных металлов, например платины, серебра, золота или сплавов на их основе. Но их применение ограничено из-за высокой стоимости и дефицитности, а также из-за их чувствительности к каталитическим ядам.

Известно также использование оксидных материалов, состоящих из смеси оксидов нестехиометрического состава. Однако применение их ограничено из-за химической нестабильности при высоких температурах и в средах с низким парциальным давлением кислорода (P_O2).

Из известных наиболее близким по составу к предлагаемому является материал для электродов ЭХД, содержащий оксид хрома, оксид самария и оксид кальция при следующем соотношении компонентов, мол.%: Оксид хрома 30,4-46,3 Оксид кальция 14,8-51,8 Оксид самария Остальное Однако этот материал имеет недостаточно высокую электропроводность в окислительной, а особенно в восстановительной атмосфере при средних и высоких температурах. Электропроводность его, измеренная, как и электропроводность предлагаемого материала, четырехэлектродным методом на постоянном токе, составляет (0,4-18) Ом^-1см^-1 в окислительной и (0,05-1,0) Ом^-1см^-1 в восстановительной атмосферах при 1000^оС. Низкая электропроводность материала в восстановительной атмосфере резко ограничивает возможность применения его в качестве измерительного электрода в средах с низким содержанием кислорода.

Изобретение направлено на разработку материала с высокой электропроводностью в окислительно-восстановительных средах при высоких и средних температурах.

Предлагаемый электродный материал, наряду с оксидом хрома, оксидом кальция, оксидом РЗЭ, содержит оксид цинка или оксид кадмия при следующем соотношении компонентов, мас.%: Оксид РЗЭ 30-46 Оксид кальция 4-20 Оксид кадмия или оксид цинка 2-20 Оксид хрома Остальное В качестве оксида РЗЭ может быть использован любой из оксидов РЗЭ.

Предлагаемый материал обладает более высокой электропроводностью как в окислительной, так и в восстановительной атмосфере в сравнении с прототипом.

П р и м е р. Для изготовления электронопроводящего материала взятые в необходимом соотношении оксид хрома, оксид РЗЭ, оксид кальция и оксид переходного металла (Zn, Cd) растирают в спиртовой среде в течение 1 ч, затем порошок высушивают и обжигают в течение 2 ч при 1400^оС на воздухе.

Полученный керамический материал может быть использован для формирования электродов электрохимических датчиков кислорода, а также в качестве электродного материала топливных элементов, электролизеров и других электрохимических устройств. Предлагаемый материал может быть также использован и для электрического соединения высокотемпературных электрохимических элементов.

В таблице приведены значения электропроводности предлагаемых материалов при 1000^оС в атмосфере влажного водорода (P_O2= 10^-12,5 Па) и на воздухе (P_O2 = 0,21 10⁵ Па). Видно, что электропроводность значительно возрастает по сравнению с электропроводностью прототипа как в окислительной, так и в восстановительной атмосфере при добавлении (2-20) мол.% оксида цинка или кадмия.

Материал на основе оксидов хрома, РЗЭ, кальция и цинка или кадмия позволяет заменить благородные металлы (Au, Ag, Pt) или их сплавы, используемые для изготовления электродов электрохимических датчиков кислорода. Высокая электропроводность предлагаемого материала в восстановительной атмосфере по сравнению с известными оксидными материалами для электродов ЭХД позволяет расширить область применения ЭХД кислорода от P_O2 = 0,21 10⁵ Па до P_O2 = 10^-12,5 Па и повысить рабочую температуру до 1600-1700^оС.

Формула изобретения

МАТЕРИАЛ ДЛЯ ЭЛЕКТРОДОВ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ КИСЛОРОДА, содержащий оксид хрома, оксиды редкоземельного элемента (РЗЭ) и кальция, отличающийся тем, что он дополнительно содержит оксид цинка или оксид кадмия при следующем соотношении компонентов, мол.%: Оксид РЗЭ 30 - 46 Оксид кальция 4 - 20 Оксид цинка или кадмия 2 - 20 Оксид хрома Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1