研究人员展示了一种研究热力学过程的新型电化学方法

熔融悬垂的液滴或吊坠（处于中心），从氧化铝杆下方的氧化铝棒与氙灯的光线形成。使用此过程，MIT研究人员已经证明了一种新的电化学方法，用于在高于2,000摄氏度的温度下研究熔融氧化物熔体中的热力学过程。

氧化铝等化合物的热力学性质，其称为耐火材料，因为它们在2,000摄氏度（3,632华氏度）的温度下融化，因此由于少数船舶可以承受热量来遏制它们，以及那些经常与熔体反应并污染它。

现在麻省理工学院研究人员正在展示一种不容器的电化学方法，以研究在电化学社会杂志上发布的纸上这些热熔的热力学性质。

“我们有一种新的技术，表明这些难治性熔体遵循电化学规则，”冶金副教授的副教授Antoine Allanore表示。“我们现在有证据表明，这些熔体在高温下非常稳定，它们具有高导电性。”

调整热成像（或弧形成像）炉更常用于浮区晶体生长，麻省理工学院研究生BRAD Nakanishi融化了一种氧化铝（氧化铝）棒并与其形成有电极的液体吊坠液滴，产生允许的电化学电池首次电解通过电解分解纯的氧化铝电解质和铝合金。氧化铝本身用作该电化学电池中的电解质，其与水电解类似地操作。

“分解电压测量使我们可以直接进入典型的热力学特性，这也称为Gibbs能量，”Nakanishi解释说。“我们已经表明我们在新类电解质中进行了电化学测量，熔融耐火氧化物。”

该GIBBS能量或化学电位相对于温度的变化称为熵。“在高温下，熵是非常重要的，并且预测非常具有挑战性，因此在这些系统中测量熵的能力是关键，”Nakanishi说。

电化学电池的该视频显示氧气泡沫形成为氧化铝分解成纯铝和纯氧。在一篇新论文中，MIT研究人员通过测量其导电性能来研究这些热液合金的热力学性能的电化学方法。视频：布拉德利纳纳希什

悬挂液滴

使用该技术，在样品的尖端上磨削四个反射的氙灯，熔化液滴，液滴通过表面张力保持在杆上并在灯关闭后快速凝固。液滴液化的同时，将电极升高到液滴中以完成电路，液体氧化铝本身用作电解质。

“那是我们没有看到的事情，也是在2,000℃以上的悬浮液体中进行电化学，”Nakanishi说。

悬挂液滴相对于其密度具有高表面张力。

“浓度，热区和大型热梯度的浓度，允许我们以非常受控的方式创造稳定液滴和电极接触的情况，”Nakanishi说。“这听起来很具有挑战性，但是我们精致的方法在实践中，在实践中运行很简单，并且部分地，在实验期间能够连续观察液滴和电极的相机。”

Allanore表示，液体氧化铝的稳定性和电极材料的智能选择允许测量明确定义的能量水平。

“本文表明，我们现在可以测量这种熔体的基本热力学特性，”Allanore说。“在熔融氧化铝的情况下，我们实际上已经能够研究阴极产品的性质。当我们分解氧化铝时，在另一侧α和铝上的氧化物上，然后在另一侧[阴极]上的氧化铝，然后液体铝与电极相互作用，在这种情况下是铱的，“他说。

操作电池的视频显示在电池内形成的氧气气泡，因为氧化铝在阴极（带负电电极）和铱阳极（带正电电极）处的纯氧处的铝。铝确实与铱阴极相互作用，这通过部分熔化和实验后的微观结构的实验图像确认，所述微观结构显示铝 - 铱合金沉积物。

“我们现在可以计算那种合金的热力学性质，这种相互作用是之前从未测过的东西。它是计算和预测的。它从未衡量过。在此论文中，我们使用我们的方法确实确实确实从计算中预测，“Allanore说。

通过调整热成像炉更常用于生长晶体，MIT研究生Bradley Nakanishi融化了氧化铝杆并与其形成有电极的悬挂式液体吊坠，通过将材料电解成氧气和铝合金的分解。第一次。这里，背散射的电子显微照片显示电解后沿阴极的垂直横截面的组成和微观结构的变化。液体铝 - 铱合金沉积（中右）在铱阴极（左）和电解质（黑面积，右右侧）之间的界面处形成。

新的预测力量

对于关键的工业问题，例如热涡轮发动机如何运行，工程师需要关于金属合金的固体和液态的热力学数据，特别是固体熔体的过渡区。“我们对液态不太伟大，在高温下，我们也有很多麻烦在液态中测量吉布斯能量，”Nakanishi说。

“我们在这里添加了实验数据，”他说。“我们创建了一种方法，您可以测量液体的GIBBS自由能量，因此现在与我们在坚实的能力相结合，我们可以开始向其他转变温度通知其他热力学问题，这些过渡温度与材料稳定有关。 “

熔体是离子的，含有带负电荷的氧阴离子和中性氧原子的混合物以及带正电荷的铝阳离子和中性铝原子。

“Bradley Nakanishi和Antoine Allanore的研究发现的关键意义是能够在熔融氧化物的电化学测量中测定大于1,600℃的温度下的热力学参数[例如热力学活动]，以及对来自a的更广泛电解质的适用性融化氧化盐，“德克萨斯大学德克萨斯大学，机械工程机械工程arturo布朗森的埃尔帕斯洛洛·布朗森（Arturo Bronson）没有参与这项研究。“另外，氧气分压对双电荷的游离氧离子的可能关系将其对熔融氧化物内的相关阳离子和阴离子的影响表征，以说明液态金属和液体之间的热力学行为。”

“研究质量是为液体金属和液体氧化物超高温反应的难度实验研究开发的世界级方法，特别是在包含电化学阻抗光谱的情况下，”布朗森说。然而，该研究的限制是加号或减去10摄氏度范围内的温度测量的不确定性。“测量参数的不确定度最终取决于测量温度的准确性[已经在加上或减去10个开尔韦斯的准确度]，因为电化学参数[即电压和电流]显然取决于温度不确定性，“布朗森解释说。

更多电解质可能性

Allanore指出，电化学是最有选择的加工技术之一，但迄今为止，使用这些高温熔化研究电化学非常具有挑战性。“

电解质选择是设计用于反应性的电化学萃取的新方法的关键，并且新作品表明，更多的电解质可用于提取金属。“我们现在可以研究含有耐火金属氧化物在这些熔体中的溶解度。因此，我们基本上基本上添加了至少三载体的四烷基酯电解质，可用于金属萃取，特别是我们称之为铝，铌，钛或稀土的反应金属，“Allanore Adds.Theresearch由美国资助海军研究办公室。

将来的工作将专注于应用这些高温电化学技术来研究选择性分离稀土氧化物的可能性。虽然只需要相对较少的数量，但近期稀土元素对于高科技应用是必不可少的，包括手机和电动车辆。从其矿石中浓缩稀土氧化物的良好方法产生14个稀土氧化物的混合物，艾拉诺注释。“如果我们使用这样一种稀土氧化物混合物作为我们的电解质，我们可以从其他13个中选择性地分离一个稀土金属，”他说。

新的，稳定的材料如可以承受高温的稀土氧化物，用作建筑物更快的飞机和延长核电厂的寿命。但是，一家国家，中国拥有罕见的唯一垄断稀土元素生产。“彼此的稀土分离是在稀土金属提取方面的关键挑战，”纳南原说。

虽然新出版的论文审查了单一组分电解质，其自身氧化铝，Nakanishi说：“我们的目标是扩展这种方法，以便我们可以测量化学潜力，吉布斯能量，在多组分电解质中。”

“这对我们可以用于提取金属的电解质的更多候选者来开辟了大门，也可以制造氧气，”他说。

这种将氧气作为副产品而不是一氧化碳或二氧化碳排出的能力，可能有可能降低温室气体排放和全球变暖。

出版物：Bradley R. Nakanishi和Antoine Allanore，“悬垂熔融氧化铝液滴的电化学研究及其在Al-IR热力学性能测量的应用，”电化学学会，2017年期刊; DOI：10.1149 / 2.1091713JE.