研究生知识库

无论在自然界、科学实验，还是在水热合成、核反应堆、火力发电厂、化学工程、高温湿法冶金和环境工程等工业生产和工程技术中，都广泛存在处于各种温压条件的水热体系。在这些水热体系中，氢逸度/活度是极为重要的物理化学参数之一，其经常对体系的物质组成、其它物理化学性质以及过程的发生与发展有着极为重要的影响，因此原位监测水热体系中的氢逸度/活度在野外探测、科学实验、工业生产和工程技术等领域都具有非常重要的意义。迄今为止，虽然人们已成功研发出包括光栅型、热导型以及电化学型等各类氢传感器，但绝大部分氢传感器只能适应常压高温和低湿度环境。能用于高压水热环境的氢传感器目前仅两种，分别是基于固体氧离子导体YSZ（钇稳定氧化锆）和铂或钯氢电极的电压型传感器。但非常遗憾的是，要利用该两种传感器获得高压水热体系的氢逸度/活度值，还需要分别已知体系的pH值和水逸度/活度值，而要精准获得组成通常复杂的高压水热体系的这两个参数，本身就是一件难度非常大的工作。研究表明，Y掺杂BaZrO3陶瓷是一种电导率高、热稳定性强的典型固体质子导体，目前该材料已有成功用于制作常压高温和干体系氢逸度传感器的报道。但该材料能否用于制作高压水热氢传感器目前尚有一系列问题需要解答，包括通常由常压高温烧结途径获得的该材料其抗腐蚀性能是否足够高，力学强度是否可耐受强烈的热冲击和在高温下是否能耐受较高的压力，是否足够密实以满足高温高压密封，以及其电化学性能是否符合能斯特响应等。基于上述背景，本论文工作从制作Y掺杂BaZrO3陶瓷入手，开展了旨在解决上述系列问题的Y掺杂BaZrO3陶瓷的制作、表征和在高压水热体系中原位测量氢逸度/活度的研发工作，取得的主要创新性研究成果和主要结论归纳如下：1、采用高温固相反应法成功地合成出BaZr0.9Y0.1O3-δ粉体。2、基于上述自主合成出的BaZr0.9Y0.1O3-δ粉体，首次在六面顶大腔体压机中通过高压烧结获得了大块体BaZr0.9Y0.1O3-δ陶瓷；同时，借助高温炉经过常压烧结也制作出了大块体BaZr0.9Y0.1O3-δ陶瓷。3、将经上述高压烧结和常压烧结制备出的BaZr0.9Y0.1O3-δ陶瓷分别进行机械加工并在水热高压釜上安装进行力学和密封性能测试，结果发现，高压烧结制备出的BaZr0.9Y0.1O3-δ陶瓷其化学稳定性、力学强度和致密性既能很好满足机械加工的要求，同时在高压水热环境下亦具有很好的抗腐蚀性、耐压耐热冲击性和高温高压密封性；而常压烧结制备出的BaZr0.9Y0.1O3-δ陶瓷要么在机械加工过程中断裂，要么在高压水热实验中裂开，其力学强度无法满足机械加工和耐受高压水热环境的要求。4、将上述高压烧结制备出的BaZr0.9Y0.1O3-δ陶瓷构建一氢浓差电池，并在高温常压下对其电化学性能进行测试，结果表明，由该陶瓷制作的氢浓差电池在常压、300~600 oC和干体系条件下能很好地符合能斯特响应，由此说明本工作中经高压烧结出的BaZr0.9Y0.1O3-δ陶瓷具有优良的电化学性能。5、将上述高压烧结制备出的BaZr0.9Y0.1O3-δ陶瓷构建一氢浓差电池即氢传感器并安装在水热高压釜上进行原位测试，结果表明传感器的电压信号对体系的温度和压力（即氢逸度/活度）变化响应灵敏迅速，并有很好的重现性。不仅如此，将高压釜降温缷压后取出传感器进行观察，核实传感器的核心部件BaZr0.9Y0.1O3-δ陶瓷具有很好的抗腐蚀性能。由此得出初步结论，基于本工作高压烧结制备出的BaZr0.9Y0.1O3-δ陶瓷制作成的氢传感器适合用于高压水热体系中氢逸度/活度的原位测量。