固态离子元素传感及应用

推荐语

本科研组多年从事固态离子导体的制备、性质和某些应用的研究工作，为在生产中应用提供理论和实验依据。多次获国家自然科学基金资助，曾研究过氧、硫、磷、硅、氟、稀土、碱土等离子导体及有关的传感器，近两年在研究H⁺（质子）导体和氢传感器及辅助电极法副族元素传感器等。

由于指导本科生、硕士生和博士生论文工作的需要及国家科技发展和生产的需要，笔者和冶金工业出版社共议着手编写了《固态离子元素传感及应用》一书。

 

内容简介

本书主要内容包括：离子导体的电子分布、键的性质、统计量子化学简介、点阵结构、晶体缺陷、扩散机理；固态离子导体用阻抗谱方法测量的各种串、并联线路，分支型传输线，等效电路，离子迁移数的测定；基于对电磁波反映的各种结构研究方法；原电池及准确测定电动势的各种影响因素；离子导体制备的一般方法和性能测定；氧离子导体在二元合金、复合化合物、金属间化合物、非化学计量氧化物、非氧化物、含氧酸盐、金属熔体等热力学、动力学研究中的应用；在钢铁冶炼过程金属熔体、炉渣和气相各处的应用；在气体分离、汽车尾气、燃料电池、功率电池等的应用；质子、氟离子性质及传感器；硫、磷、氮、碳、铝、硅、稀土、碱金属、碱土金属传感器辅助电极型副族金属传感器等。附录部分给出若干有用数据、公式、图、表。

 

目录

1 原子的电子分布、键性质和晶体缺陷

1.1 原子的电子分布［1］

1.2 电子云和价键

1.3 键的杂化，σ键和π键

1.4 统计量子化学概念［2～4］

1.5 薛定格（Schröndinger）方程式

1.6 用计算机模拟化学现象

1.7 固态离子导体的点阵结构

1.8 晶体中的缺陷［5～14］

1.9 缺陷平衡的能带理论

1.10 晶体中元素的扩散

1.11 固态离子导体中的电荷迁移［1，6，11］

 

2 固态离子导体电性质的研究

2.1 交谱阻抗法研究离子电导率［1～16］

2.2 分布参数的等效元件

2.3 等效电路

2.4 离子迁移数（ti）

2.5 固态离子导体电子导电性的测定

 

3 固体离子导体结构的研究方法

3.1 基于对不同电磁波的反映

3.2 新一代材料模拟软件（Materials Studio）

 

4 固体离子导体原电池及准确测量的条件

4.1 电动势法在测定热力学函数上的应用

4.2 固体离子导体原电池的工作原理

4.3 参比电极

4.4 电极引线

4.5 影响电动势值准确测量的制约因素

 

5 固体离子导体制备的一般方法和离子导体性能

5.1 直接合成法的反应原理

5.2 固体离子导体的制备方法

5.3 固体电解质的致密性

5.4 固体电解质的抗热震性

 

6 固体离子导体材料和氧离子导体

6.1 晶体化学数据

6.2 ZrO2-CaO电解质［1～6］

6.3 ZrO2-MgO电解质

6.4 ZrO2-Y2O3电解质

6.5 ZrO2-Ln2O3电解质

6.6 CaZrO3基电解质

6.7 ThO2基电解质

6.8 HfO2（CaO）电解质

6.9 Bi2O3基电解质

6.10 β-Al2O3和β″-Al2O3电解质

 

7 氧离子导体原电池在化合物热力学研究中的应用

7.1 氧化物的热力学研究

7.2 非氧化物体系的热力学研究

7.3 合金体系的热力学研究

 

8 氧离子导体传感法测金属熔体中氧活度

8.1 金属熔体中氧活度研究

8.2 M-X-O熔体中氧化物的溶解度曲线的理论判断［17，18］

8.3 有色金属熔体中组分和氧的活度

8.4 用氧浓差电池测定有色金属熔体中合金元素的活度

8.5 坩埚材料的选择

 

9 氧离子导体传感法对炉渣的热力学研究

9.1 炉渣结构

9.2 炉渣活度［1］

9.3 炉渣中FeO和FexO的活度

9.4 炉渣的透气性［7］

 

10 氧离子导体传感器在冶金中的应用

10.1 在炼钢、炼铁中的应用

10.2 在气体测氧中的应用

 

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

11.1 氧离子导体在氧泵中的应用

11.2 氧传感器在汽车尾气控制中的应用

11.3 固体氧化物燃料电池

 

12 氧离子导体传感法对动力学的研究

12.1 扩散系数

12.2 固态和液态金属中氧的扩散

12.3 液态金属中氧的扩散研究

12.4 溶质对金属熔体扩散系数的影响

12.5 固态金属中氧扩散的测量

12.6 气-固相及气-液相反应的动力学研究

 

13 二元化合物气体传感器

13.1 水蒸气传感器

13.2 SOx（SO2和SO3）传感器

13.3 NOx（NO和NO2）传感器［11～16］

13.4 CO2传感器

13.5 NH3传感器［28］

13.6 含砷气体传感器及其他传感器

13.7 极限电流型氧传感器［33，34］

 

14 氟离子导体及应用

14.1 碱土金属氟化物和稀土氟化物的固溶体［1～7］

14.2 CaF2单晶在化合物热力学研究中的应用

14.3 CaF2单晶在金属体系研究中的应用

14.4 氟离子导体在碳、硫、硼、磷化合物热力学研究中的应用

 

15 硫、磷、氮、碳、铝、硅传感器

15.1 硫离子导体及硫传感器

15.2 磷传感器

15.3 氮化物导体和氮传感器

15.4 碳传感器

15.5 硅传感器［7～15］

15.6 铝传感器

 

16 氢离子（质子）导体及其应用

16.1 500～1000℃质子导体

16.2 对近期研究最多的几种质子导体的讨论

16.3 高温质子导体的制备

16.4 质子导体材料的应用

 

17 碱金属离子导体和银离子导体及应用

17.1 碱金属离子导体

17.2 骨架结构

17.3 非晶态电解质

17.4 非晶态银的快离子导体

17.5 聚合物电解质

17.6 银离子导体的结构特征

17.7 碱金属离子和银离子导体在电池中应用示例

 

18 稀土金属、碱金属、碱土金属传感器和锑传感器

18.1 稀土金属传感器

18.2 碱金属、碱土金属传感器

18.3 锑传感器

 

19 辅助电极传感器测定副族金属的活度

19.1 需要研究的成分传感器

19.2 辅助电极型（auxiliary electrodes）成分传感器

 

附录

附录1 元素周期表

附录2 原子的电子能级［1］

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

附录4 元素的电负性［2］

附录5 离子半径［2］

附录6 常用的几种化学位［4］

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

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

附录9 偏摩尔性质和过剩热力学性质［7］

附录10 正规溶液（或规则溶液）［7］

附录11 标准态的转换［8～11］

 

主要符号表

索引