بهینه سازی خصوصیات فیزیکی و مکانیکی الکترولیت های جامد بر پایه و انادات بیسموت به منظور استفاده در پمپ های اکسیژن

در تحقیق حاضر هدف سنتز و فرآوری پودر برخی از اعضا خانواده الکترولیتهای جامد بر پایه وانادات بیسموت، ‏‎bi4v2o11‎‏، با نام اختصاری ‏‎bimevox‎‏ (‏‎me‎‏ فلزی که بصورت جزئی جایگزین وانادیوم ترکیب بیسموت می شود از قبیل ‏‎(ni, cu, ti,..)‎‏ تولید نمونه هایی با کیفیت مطلوب (حداکثر چگالی، حداقل ناخالصی و ریز ساختار دلخواه) از آنها بررسی خصوصیات فیزیکی (رسانایی الکترونی-یونی)-مکانیکی (میکروسختی و چقرمگی ‏‎kic‎‏) نمونه ها است. ساخت سرامیک های مرکب با زمینه ای از ترکیبات فوق الذکر و فاز ثانویه زیر کونیا ‏‎3y-tzp‎‏ و بررسی خصوصیات آنها نیز از دیگر اهداف این پروژه بوده است. هدف نهایی این بررسیها امکان سنجی کاربرد این ترکیبات بعنوان غشا نافذ اکسیژن جهت جداسازی اکسیژن از هوا و تولید آن به روش الکتروشیمیایی با حداقل ناخالصی، سرعت مناسب و بازده نزدیک به صد در صد می باشد. نتایج آنالیزهای پراش اشعه ایکس ‏‎(xrd)‎‏ و حرارتی ‏‎(sta)‎‏ آنها نشان داد که جایگزین درصد از وانادیوم ترکیب بیسموت با عناصری نظیر مس (10 درصد اتمی) تیتانیوم (5/12 درصد اتمی) و یا مخلوطی از آنها (مجموعا 10 درصد اتمی) موجب پایداری فاز دمای بالای، ، ترکیب مذکور در دمای محیط شده و ترکیب حاصل، ‏‎bi2v(1-x)mex o5.5-y‎‏ (‏‎me‎‏ یک عنصری فلزی نظیر مس)، دارای ساختار کریستالی تتراگونال با قابلیت هدایت یونی بالا در دمای پایین ‏‎(t<500c)‎‏ می باشد. خواص مکانیکی نمونه های ساد و مرکب از ترکیبات ‏‎bimevox‎‏ که در قالب اندازه گیری میکروسختی و چقرمگی، ‏‎kic‎‏ تعیین شد، حاکی از ضعف نسبی این ترکیبات بوده، بطوریکه چقرمگی آنها حداکثر ‏‎0/8 mpa.m1/2‎‏ و میکروسختی در حدود 350 ویکروز تعیین شد. رسانایی یونی این ترکیبات که به روش طیف سنجی امپدانس اندازه گیری شد، نشان داد که این خصوصیت وابسته به نوع عنصر فلزی بکار رفته جهت جایگزینی وانادیوم ترکیب وانادات بیسموت و توانایی آن در پایدار سازی فاز ‏‎‎‏ آن در دمای محیط می باشد. در این خصوص فلز مس و ترکیب ‏‎bi2v0.9cu0.1o5.35‎‏ با بهترین رسانایی یونی را در دمای پایین (‏‎0/03 s.cm-1‎‏ در دمای ‏‎400c‎‏) و عدد انتقالی یونی آن نزدیک به یک بعنوان بهترین عنصر و ترکیب تشخیص داده شدند. در الکترولیتهای جامد مرکب با افزایش درصد فاز ثانویه در محدوده 5/0 تا 2 درصد وزنی، هدایت یونی به طور جزئی (بخصوص در دمای بالا) کاهش یافت. بعنوان بخش پایانی این تحیق قابلیت انتخابی در فرآیند تولید اکسیژن خالص از هوا، با استفاده از یک سل به روش الکتروشیمیایی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج این بررسی حاکی از امکان بکارگیری آنها در غیاب الکترود، ایفای نقش الکترود توسط الکترولیت و خاصیت کاتالیستی آنها بود، بنحوی که تا دانسیته جریانهای بسیار بالا، در حدود ‏‎(0/8 a/cm2)‎‏، اکسیژن با بازده ای نزدیک به 100 درصد و با سرعتی نسبتا مناسب ‏‎(3 ml/min.cm2)‎‏ تولید شد.