经典实例2

BaCe _1-x M _x O _3-α 的水蒸气浓差电池的测定

一、原理

水蒸气浓差电池电动势的测试方法：

实验原理如图1所示。向测试电炉上、下气室中分别通入0℃下饱和水蒸气的空气及30℃下饱和水蒸气的空气，组成如下的水蒸气浓差电池：

水蒸气浓差电池理论电动势的计算具有复杂性，包含三个部分：

（1）由于不同温度下水的饱和蒸气压不同（0℃和30℃的饱和蒸气压分别为611Pa和4243Pa），在高温下由于水蒸气分压不同，水解反应>的程度不同，产生的H ₂ 分压不同，因而形成了氢浓差电池。

0℃和30℃的饱和蒸气压分别为611Pa和4243Pa，所以H ₂ O分压分别为611/101325和4243/101325。

（2）水蒸气分压大的一端产生的H ₂ 与另一端空气中的氧组成燃料电池，根据计算可得电动势 。

（3）水蒸气分压小的一端产生的H ₂ 与另一端空气中的氧组成燃料电池，根据计算可得电动势 。（2）与（3）数值相等方向相反，所以理论值为 EMF ₁ 。

式中 R ， T ， F 分别为摩尔气体常数、测试电炉的绝对温度、法拉第常数。

实验采用电位差计对样品进行测试。电位差计是用补偿原理构造的仪器，是常用的电化学测量技术。其工作原理，电阻丝与滑线变阻器及工作电源组成回路，由它提供稳定的工作电流。滑线变阻器用来调节工作电流的大小，电流的变化可以改变电阻丝电位差的大小 ^［1］ 。

二、仪器和试剂

1.仪器

高温箱式电炉；分析天平；玛瑙研钵；球磨机（2台）；电位差计；

磁力搅拌器；烘箱；DSC-TGA热分析仪；酸度计。

2.试剂（分析纯）

固相法：Ba（CH ₃ COO） ₂ ；CeO ₂ ；相应金属氧化物；无水乙醇。

微乳液法：Ce（NO ₃ ） ₃ ·6H ₂ O；Ba（CH ₃ COO） ₂ ；相应金属硝酸盐；

浓HNO ₃ ；无水乙醇；碳酸铵；氨水；环己烷；柠檬酸；PEG。

三、步骤

（1）采用固相法或微乳液法合成BaCe _1-x M _x O _3-α 。

（2）取之前合成好的样品，用螺旋测微器测量样品的厚度，然后将样品用细砂纸打磨，打磨至1.2mm左右即可。注意打磨力度均匀，防止样品破损。在样品中间小心用铅笔和尺子画一个直径为8mm的圆圈，然后在圈内涂上钯浆料，正反面都要涂上，注意正反面涂浆料的位置应该对称，在红外灯下进行烘干约15min。

（3）将样品薄片装入自组装的程控电炉中，盖以银网，玻璃圈将两端陶瓷管密封，两端引出银丝电极。确保正确后，打开电源，连接电脑进行测试。采用电位差计测定样品在测试温度范围内的电动势 ^［2］ 。

四、示例及分析

图2所示为测试样品水蒸气浓差电池的电动势关系曲线。如果电动势的实测值与理论值吻合得非常好，表明样品在该温度范围几乎是一个纯的质子导体。如果样品的理论值与实验值有偏差，表明样品在该温度范围是一个质子与电子的混合导体 ^［3-4］ 。从图2可见，在该条件下样品具有一定程度的质子导电性，但随着温度的升高，电动势值及质子迁移数降低。这是因为温度升高，溶解于样品中的水，解吸速率逐渐大于吸附速率，且饱和水蒸气压大的解吸速率更大。这样浓差电池正负两极水蒸气压趋于一致，导致电动势的实测值和质子迁移数的减小。

五、参考文献

［1］田长安，曾燕伟.中低温SOFC电解质材料研究新进展［J］.综述电源技术，2006，4：329-333.

［2］孙林娈.ABO ₃ 钙钛矿型陶瓷的合成及其电性能的研究［D］.苏州：苏州大学，2008.

［3］厉英，丁玉石，王常珍.中高温质子导体的结构及性能研究进展［N］.东北大学学报，2012，33（06）：853-856.

［4］李芳.固体电解质质子导体的研究进展［J］.化学研究，2006，17（02）：108-112. W+QU4Fm8svLlmEQE82ghH2v5VLFNtnsRUChdyZlqALOE3Tpmihir3oGzjuVldhEt