Твердый электролит с рубидий-катионной проводимостью

Изобретение относится к области электротехники, а именно к твердым электролитам с проводимостью по катионам рубидия, и может быть использовано в различных электротехнических устройствах, работающих в области высоких температур, использующих в качестве рабочего вещества рубидий или рубидийсодержащие материалы. Согласно изобретению твердый электролит содержит моноферрит рубидия с добавкой многозарядных катионов V группы периодической системы в количестве 0,3-1,6 ат.%. Состав твердого электролита отвечает общей формуле Rb_2-2XFe_2-xЭ^V _xO₄, где х=0,025-0,125. Техническим результатом является снижение удельного сопротивления твердого электролита при высоких температурах. 1 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к твердым электролитам с проводимостью по катионам рубидия, и может применяться в различных электротехнических устройствах, работающих в области высоких температур и использующих в качестве рабочего вещества рубидий или рубидийсодержащие материалы.

Известен ряд рубидийпроводящих твердых электролитов, например сульфат рубидия (Украинский химич. журнал. 1973, Т.39, с.761), обладающий заметной ионной проводимостью в высокотемпературной области. Однако удельное электросопротивление этого твердого электролита довольно высоко (~100 Ом·см при 900°С), что снижает возможности его применения.

Наиболее близкими по составу к предлагаемому в настоящем изобретении являются твердые электролиты с рубидий-катионной проводимостью, содержащие оксид железа (III), оксид рубидия и диоксид германия (SU 1653433, публ. 1991 г.). По химической природе они представляют собой моноферрит рубидия Rb₂O·Fe₂O₃ или Rb₂Fe₂O₄, в котором часть ионов железа замещена ионами Ge⁴⁺.

Такие электролиты имеют удельное электросопротивление 15-55 Ом·см при 400°С, 10,5-30 Ом·см при 500°С, 8-16 Ом·см при 600°С.

Задача настоящего изобретения состоит в повышении эффективности работы электротехнических устройств, работающих в области высоких температур и использующих в качестве рабочего вещества рубидий или рубидийсодержащие материалы, за счет снижения удельного электросопротивления твердого электролита.

Поставленная задача решается тем, что твердый электролит с рубидий-катионной проводимостью, содержащий моноферрит рубидия с добавкой многозарядных катионов, в качестве многозарядных катионов содержит катионы V группы периодической системы в количестве 0,3-1,6 ат.%, при этом состав твердого электролита отвечает общей формуле Rb_2-2xFe_2-xЭ^v _xO₄, где х=0,025-0,125.

Причиной снижения электросопротивления (повышения ионной проводимости) моноферрита рубидия при введении указанных добавок является образование рубидиевых вакансий, компенсирующих избыточный положительный заряд, возникающий при замещении катионов Fe³⁺ катионами Э⁵⁺. При этом введение как меньшего, так и большего количества добавок ухудшает электрические характеристики электролита.

Новый технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в снижении удельного сопротивления твердого электролита при высоких температурах.

Изобретение проиллюстрировано следующими примерами.

Пример 1. В алундовом тигле путем взаимодействия Rb₂CO₃, Fe₂O₃ и NH₄H₂PO₄ с постепенным подъемом температуры и конечной выдержкой при 1000°С в течение 10 ч был синтезирован твердый электролит состава Rb_1,95Fe_1,975Р_0,025O₄.

Измерения удельного электросопротивления изготовленных из обожженной смеси керамических образцов дали следующие значения:

300°С - 28,1 Ом·см; 400°С - 14,0 Ом·см; 500°С - 7,7 Ом·см; 600°С - 4,9 Ом·см.

Пример 2. В алундовом тигле путем взаимодействия Rb₂CO₃, Fe₂O₃ и Nb₂O₅ с постепенным подъемом температуры и конечной выдержкой при 1000°С в течение 10 ч был синтезирован твердый электролит состава Rb_1,90Fe_1,95Nb_0,05O₄.

Измерения удельного электросопротивления изготовленных из обожженной смеси керамических образцов дали следующие значения:

300°С - 30,4 Ом·см; 400°С - 14,5 Ом·см; 500°С - 8,6 Ом·см; 600°С - 5,6 Ом·см.

Как видно из приведенных данных, при температуре 500°С и выше предлагаемые электролиты имеют существенно более низкие значения удельного сопротивления по сравнению с прототипом. Таким образом, заявленное предлагаемое изобретение позволяет уменьшить удельное электросопротивление рубидийпроводящих твердых электролитов и тем самым повысить эффективность работы электротехнических устройств, работающих в области высоких температур.

Предлагаемые электролиты могут использоваться в качестве твердого электролита в различных электротехнических устройствах, использующих рубидий или его соединения. Это могут быть диафрагмы для разделения катодного и анодного пространств при электролизе расплавленных солей рубидия, системы очистки от рубидия натриевого теплоносителя в охлаждающих контурах атомных реакторов на быстрых нейтронах, датчики активности рубидия в различных жидких и газовых средах, ионные и ионно-плазменные двигатели, термоэмиссионные генераторы и др.

1. Твердый электролит с рубидий-катионной проводимостью, содержащий моноферрит рубидия с добавкой многозарядных катионов, отличающийся тем, что в качестве многозарядных катионов электролит содержит катионы V группы Периодической системы в количестве 0,3-1,6 ат.%, при этом состав твердого электролита отвечает общей формуле Rb_2-2XFe_2-xЭ^V _xO₄, где х=0,025-0,125.

2. Твердый электролит по п.1, отличающийся тем, что в качестве пятизарядных катионов Э⁵⁺ он содержит Р⁵⁺, V⁵⁺, Nb⁵⁺, Та⁵⁺.