二元複合稀土鎢電極材料的性能

稀土鎢電極

通過粉末冶金法製備系列二元複合稀土電極材料,包括W-La2O3-Y2O3,W-La2O3-CeO2,W-Y2O3-CeO2,比較它們與單元稀土鎢電極和釷鎢電極的焊接電弧特性,從而瞭解它們的性能。通過比較發現,二元複合稀土鎢電極性能優於單元稀土鎢電極和釷鎢電極。

將稀土硝酸鹽水溶液加入WO3粉末中,通過兩次還原後得到氧化物合金粉末,然後經過混料、壓型、預燒、垂熔和塑性加工等工序制得直徑規格為1.0、1.6、2.0、2.4和3.2mm的單元稀土電極和複合稀土電極,其中所添加的稀土氧化物的總品質分數相同,而釷鎢電極中ThO2的品質分數與稀土鎢電極中稀土氧化物的含量相同。

實驗採用的是直流正接的鎢極氬弧焊方法,並採用高頻引弧,電極直徑為2.4mm,電極直徑為2.4mm,電極尖部錐角45°,電源設備採用ZS500型矽整流焊機,GNP-300型焊機控制箱和100KVA行調壓器。

通過比較發現,複合稀土鎢電極比單元稀土電極和釷鎢電極具有更好的熱電子發射性能,其電弧穩定性好、抗燒損性能強,抗燒損性能強,綜合表現為電極長時間焊接工作穩定性好。
在二元複合電極中W-La-Ce具有較低的起弧電壓,在小電流條件下,具有較好的電弧穩定性能。W-Y-Ce複合電極的起弧和抗燒損性能最好,其電弧穩定性好,熱功率較大。W-La-Y複合電極的電弧性能和W-La-Ce和W-Y-Ce電極相似,但熱功率較大,因此大電流抗燒損性能,不如W-La-Ce和W-Y-Ce電極。

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偏鎢酸銨製備空心介孔WO3球

三氧化鎢(WO3)的禁帶寬度為2.8eV,並且通過摻雜和表面修飾,其禁帶寬度還可以進一步降低,使其禁帶上的電子在可見光照射下就可以激發而躍遷到導帶上,從而具有光催化性能。因而,在製備過程中控制WO3顆粒的大小、形貌是研究工作者關注的重點方向,由偏鎢酸銨(AMT)為原料製備的空心介孔WO3球是其研究成果之一。因為由量子效應引起的導帶電子與價帶空穴的能級移動,使得WO3的還原性和氧化性增大;三氧化鎢的粒徑變小,光生電子與空穴對將很快達到三氧化鎢表面並且發生反應,有效減小光生電子與空穴的複合幾率;粒徑變小的同時,比表面積增大,增加了吸附點,有效促進了光催化反應。
空心介孔WO3球TEM照片
採用偏鎢酸銨為原料製備空心介孔WO3球的原理:空心的AMT球在熱處理過程中由於位向不一致,各亞晶沿著晶向擇優生長,亞晶形成狹長顆粒,從而在空心球表面形成了介孔。其步驟如下:
1. 選取WO3含量為85.0~89.0wt%(無需進一步純化)的偏鎢酸銨20g為原料,溶于去離子水中,製成濃度為20g./L的偏鎢酸銨溶液;
2. 採用噴霧乾燥器噴霧乾燥,首先得到中空偏鎢酸銨球;
3. 將中空偏鎢酸銨球移入高溫管式爐中進行熱處理,其升溫速率為5°C/min,升溫至700°C,保溫2小時,得到空心介孔WO3球。
 
研究指明,空心介孔WO3球具有良好的光催化性能,在以甲基藍溶液為有機污染物試樣的實驗中發現,15分鐘內WO3對甲基藍的光降解率達到65.9%。
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稀土鎢電極製備工藝重點

稀土鎢電極

稀土鎢電極即摻雜了稀土成分製成的鎢電極,有一元稀土鎢電極,二元稀土鎢電極,三元稀土鎢電極等。瞭解其製備工藝重點有利於製備性能優良的鎢電極。

1.稀土摻雜的均勻性
要使得稀土能和原料均勻的摻雜,可以採用固液摻雜法。以APT和稀土硝酸鹽為原料,進行固液摻雜,使得稀土硝酸鹽進入或者吸附在APT顆粒的表面,有利於稀土在後續分解和還原的過程中進入鎢晶格實現均勻摻雜。

2.還原粉末粒徑
還原粉末的粒徑及分佈對後續燒結和加工有一定的影響。摻雜稀土的還原粉末具有較高的還原溫度,因此粉末的粒度的控制主要靠提高粉末的裝舟量或者增加還原爐 的溫度梯度,依靠高溫下氣態水合鎢氧化鎢的快速遷移及生長製備大粒徑寬分佈的金屬粉末的粒徑。另外,在保證後續燒結和加工工藝的情況下,要盡可能的降低還 原溫度,從而更好的稀土相粒子的粒徑。

3.燒結曲線
制定合理的燒結曲線能夠制得較好品質的燒結坯。在燒結過程中可以使電極坯在低溫下長時間保溫,使得稀土擴散揮發在電極內達到平衡後再緩慢升溫到較高的溫度區間。燒結溫度過高會導致稀土揮發嚴重,因此燒結工藝的制定要綜合考慮粉末的粒度、燒結溫度的最高溫等特性。

4.加工制度的確定
摻雜稀土的鎢電極具有較高的再結晶溫度,因此其加工溫度也有所提高。但是稀土對鎢晶粒的變形有阻礙的作用,增大了電極回復和再結晶的驅動力,因此隨著變形量的增大,其加工溫度應有所降低,其溫度的降幅應大於釷鎢電極、鈰鎢電極等單元稀土鎢電極。

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鈰鎢電極與釷鎢電極比較

鈰鎢電極

隨著焊接、切割、噴塗等技術的不斷提高和發展,對電極材料也提出了新的性能要求,例如更好的活性物質和含量,以降低逸出功來提高電弧性能;更高的化學穩定性以適應在更多種氣氛下使用;更好的材料結構使活性物質擴散和蒸發相適應等。

材料性能比較:
與釷鎢電極相比,鈰鎢電極的逸出功和α射線劑量均低於釷鎢電極,具有較好的性能優勢,且沒有輻射性。在相同切割條件下,當噴嘴漏水時,釷鎢電極損耗顯著增加,而鈰鎢電極變化不大。這種現象在氣體放電燈中,當氧含量增加時也是如此,由此可知鈰鎢具有較好的抗氧化性能。

電弧性能比較:
經測定發現,釷鎢的陰極壓降要高於鈰鎢,2%Tn-W13.0V,2%Ce-W12.0V。陰極斑點與使用壽命相關,在氙頻閃燈中對兩種電極做對比測驗發現,鈰鎢端面陰極斑點較小損耗最少,使用壽命由於釷鎢。在電極發射電流密度方面,鈰鎢的弧柱光亮帶狹長,弧光明亮,發射電流密度比釷鎢高。在大直徑時,各種電極的最小穩定引弧電流相同,隨著直徑的減少,鈰鎢電極引弧性能由於其他電極。鈰鎢的最低起弧電壓是12V,釷鎢的起弧電壓為30V,相比之下,鈰鎢起弧簡單。

通過以上電極對比發現鈰鎢電極具有較好的電弧性能。這主要是因為鈰鎢電極材料的逸出功下降後,陰極位元將也低,陰極斑點減少,發射集中。同時,電弧電流增大後,電弧在通過大電流時產生的磁場向心壓力加大,於是電弧被壓縮,使得鈰鎢電極的發射電流密度提高。

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介孔WO3-CeO2-ZrO2固體超強酸催化劑

三氧化鎢照片介孔WO3-CeO2-ZrO2固體超強酸催化劑是以氧化鋯為主組分,通過引入稀土元素Ce來保持四方相ZrO2的穩定;將WO3作為促進劑替代硫酸根,避免因硫酸根的流失而失活;同時引入介孔結構,利用介孔材料較高的比表面積和孔體積,使其具有更多的活性中心,較強的吸附和傳質能力,而獲得的具有較高催化活性的介孔複合型固體超強酸。固體超強酸是指酸強度比100%濃硫酸更強的固體酸,即其 Hammett 酸度函數H0≤–11.93 。固體超強酸的酸性強,活性好,選擇性高,易與產物分離,不腐蝕設備,環境污染小,是一種綠色高效、安全環保的新型催化劑。
 
介孔WO3-CeO2-ZrO2固體超強酸催化劑的製備方法:
1. 分別稱取一定量的ZrOCl2•8H2O和偏鎢酸銨,加適量去離子水,溶解後加熱回流2 h,冷卻得到溶液A;
2. 稱取一定量六水合硝酸鈰,加去離子水得到溶液B,將B滴加到A中,伴隨攪拌,獲得C溶液;
3. 稱取一定量範本劑CTAB,加入去離子水攪拌溶解,並在攪拌下緩慢滴加到溶液C中,滴加完後繼續攪拌2h;
4. 攪拌下緩慢地滴加氨水至pH為11.0,繼續攪拌4h後,轉入反應釜在110℃水熱反應60h,冷卻後抽濾,沉澱用去離子水和少量無水乙醇洗滌,乾燥、研磨,得到前驅體;
5. 將前驅體以1℃/min 加熱到一定溫度,保溫3h,得到介孔WO3-CeO2-ZrO2(WCZ)固體超強酸。
 
研究表明,最佳狀態下獲得的介孔WO3-CeO2-ZrO2固體超強酸催化劑,其對乙酸的轉化率可達到97.28%,並且多次使用後其轉化率仍很高,說明該催化劑不僅具有較高的催化活性,而且有優異的重複使用性能。
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