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氧化鉍在電池中的作用

氧化鉍的主要應用領域

1,電子陶瓷粉末材料

電子陶瓷領域是氧化鉍應用的壹個成熟且充滿活力的市場。氧化鉍作為電子陶瓷粉體材料中的重要添加劑,壹般要求純度在99.5%以上。主要應用對象是氧化鋅壓敏電阻、陶瓷電容器和鐵氧體磁性材料。在電子陶瓷的發展上,美國領先世界,而日本憑借大規模生產和先進技術占據了世界陶瓷市場的60%。中國電子陶瓷的市場容量正以每年30%的速度發展,這必將帶動氧化鉍的需求以同樣的速度增長。隨著納米氧化鉍的研發和均勻化制造技術的創新與提高,將極大地促進電子陶瓷相關元器件性能的提高和生產成本的降低。

氧化鉍是氧化鋅壓敏電阻高非線性伏安特性的主要貢獻者,主要起液態輔助燒結劑和壓敏效應形成劑的作用。巴西的研究人員通過燃燒法制備了ZnO2 Bi2O3混合粉末,達到了均勻化的目的,並在壓敏電阻的應用中表現出了良好的性能。中南大學的研究人員制備了平均粒徑為10nm的納米氧化鉍。其在氧化鋅壓敏電阻中的應用機理、對均勻化制造技術的貢獻以及壓敏電阻性能的提高正在研究中。氧化鉍能有效提高陶瓷電容器的介電常數,降低介質損耗,改善燒結條件。例如,在鈦酸鍶陶瓷中,Bi2O3的添加是形成SrTiO3和TiO2相的關鍵條件。機械活化後,SrBiTi4O15加入BiO2,可以得到50-100nm的顆粒,在室溫下穩定。燒結後密度達到98%,介電常數為2770,介電損耗為0.08。摻雜氧化鉍的鐵氧體磁性材料具有良好的燒結和磁性能。例如,如果在NiZnCu鐵氧體中加入氧化鉍,可以在850℃燒結到初始磁導率大於250,在10。

2、電解質材料

δδbi2o 3是壹種具有立方螢石型結構的特殊材料,其中1/4氧離子位置空缺,因此具有非常高的氧離子電導率,在熔點附近電導率約為0.1s/cm,居目前所有純氧離子導體之首。它是固體氧化物燃料電池或氧傳感器的潛在電解質材料,優於現有的鋯體系。比如YSZ的電導率在相同溫度下高1-2個數量級。如果能夠在固體燃料電池中替代YSZ,對於提高電池效率和壽命,節約電池材料,簡化電池制造都具有重要意義。

3、光電材料

氧化鉍基玻璃具有非常優異的光學性能,如高折射率、紅外透射和非線性光學等,因此在光電器件和光纖傳輸等材料的應用中非常引人註目。在這些材料中,氧化鉍作為添加劑的用量非常大,是氧化鉍的重要應用方向之壹。Bi2O3-B2O3-Si2O3玻璃具有小於150fs的超高速反應。它可廣泛用於光交換和寬帶放大。添加銫的鉍基玻璃,如63.3 bi2o 3-32.6 B2 O3-41s i2o 3-0.24 CEO 2性能較好,其氧化鉍含量高達63.3%,占玻璃重量的92%。臺灣省國立大學的研究人員混合了二氧化鈦和氧化鉍顆粒(粒徑約為10nm)。溶膠-凝膠法得到的材料具有良好的光色散和熱穩定性,折射率可達1.614-1.694。PbBiGa氧化物玻璃在遠紅外區具有優異的傳輸性能和非線性光學性能,是紅外區理想的光電器件和光纖傳輸材料。矽酸鉍和鍺酸鉍是非常好的光折變材料。鍺酸鉍具有優異的壓電性和光電導性,廣泛應用於全息舌音存儲、相位共軛、二維交換、實時幹涉測量等材料。硼酸鉍晶體具有相當大的非線性光學系數和較高的光學損傷閾值,可與高光學質量的LBO相媲美。該晶體在匹配方向上具有較寬的透光範圍,且完全不潮解,是壹種極具應用潛力的新材料。

4.高溫超導材料

鉍基超導材料粉末中氧化鉍含量接近30%,純度為99.99%。隨著Bi-Sr-Ca-Cu-O高溫超導材料制備技術的重大突破,高溫超導線材迅速形成工業化生產能力,極大地促進了氧化鉍的應用。目前,世界上主要有三家公司提供BSSCCO2233帶材的商業供應,包括美國超導公司、日本住友電氣公司和丹麥北歐超導技術公司。目前研究的重點是提高臨界電流密度、機械性能、交流損耗和成本。

美國超導公司保持著BSSCCO短導體實驗室臨界電流密度的世界紀錄,生產能力為10000km/a,提供的帶材性能為:工程電流大於115A(77K),工程電流密度大於13500 a/cm2。日本住友電氣公司是世界上率先開發BSSCCO導線的公司。丹麥北歐超導技術公司產能350km/a,提供的帶材性能為:工程電流大於60A,工程電流密度6000A/cm2。目前正與德國真空公司建立聯盟,推動帶材的工程臨界電流密度提高到25000A/cm2。從1988開始,我國壹直在進行鉍基高溫超導材料的研究,目前從事BSSCCO基超導帶材。北京那英超導技術有限公司設計生產能力200km/a,現已生產出單線長度超過1000m,單線通過電流達43A,工程電流密度超過6000A/cm2的鉍系材料。

5.催化劑

氧化鉍在催化劑中的應用主要有三類:壹類是鉬鉍催化劑,如溶膠-凝膠法制備的鉍鉬鈦混合氧化物,比表面積為32-67m2/g,是壹種良好而經濟的氧化反應催化材料,在工業應用中可用作丙烯氧化制丙烯醛、丙烯制丙烯腈、丁二烯氧化制呋喃等過程的催化劑;第二種是釔鉍催化劑,壹種摻雜氧化釔的氧化鉍材料,是壹種非常有吸引力的催化劑,可用於甲烷氧化偶聯反應生成乙烷和乙烯。如BY25,摻雜25%氧化釔的氧化鉍,目前甲烷氧化偶聯反應的最佳催化劑(如LiMgO)效率為15次,可循環使用18次;第三類是燃速催化劑,氧化鉍正逐漸取代氧化鉛,成為固體推進劑中的重要催化劑。由於氧化鉛有毒,對工人和環境有直接或間接的危害,又由於其在發動機排氣中產生的煙霧不利於引導,而氧化鉍是壹種低毒少煙的生態安全材料,前蘇聯已成功應用氧化鉍代替氧化鉛作為燃速催化劑。目前正在研究納米氧化鉍在提高推進劑燃速和降低壓強指數方面的作用。

氧化鉍作為壹種先進的粉體材料,除用於電子陶瓷粉體材料、電解質材料、光電材料、高溫超導材料和催化劑外,在核廢料吸收材料、顯像管蔭罩塗層、無毒煙花等其他方面也有很好的應用前景。隨著氧化鉍應用研究的深入和人們環保意識的增強,氧化鉍的應用將會更加廣闊。

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