Биметаллические: цены от 3 274 рублей, отзывы, производители, поиск и каталог моделей – интернет-магазин ВсеИнструменты.ру

Биметаллические радиаторы: преимущества и недостатки

29 Май 2018, 18:45

Для отопления помещений в холодное время года целесообразно использовать биметаллические радиаторы.

Это касается случаев при наличии центральной системы отопления. Такие радиаторы обладают отличной теплоотдачей, что и является одним из главных их преимуществ, но далеко не единственным.

Достоинства биметаллических радиаторов

Для систем отопления характерным явлением являются гидроудары. Они могут возникнуть в любой момент и предугадать его попросту невозможно. Биметаллические радиаторы водяного отопления надежно защищены от такого рода нагрузок. В отличие от алюминиевых моделей они способны выдерживать скачки давления до 50-60 атмосфер, поэтому можно не бояться за безопасность.

Среди прочих преимуществ биметаллических радиаторов можно выделить:

• долговечность. При правильном монтаже они способны успешно прослужить до 25-30 лет в зависимости от качества сборки;
• надежность. Можно будет забыть о гидроударах и течи в районе резьбовых соединений;
• отличный прогрев. Такой вариант радиатора является оптимальным для обогрева жилых помещений. Тепловая отдача в зависимости от количества секций может достигать 200 Вт;
• могут использоваться с любым теплоносителем;
• устойчивость к коррозии. Всё благодаря использованию алюминия снаружи;
• возможность самостоятельного выбора количества секций радиатора. Они просто монтируются, поэтому каждый покупатель для своей квартиры или офиса сможет подобрать оптимальный вариант;
• стильный внешний облик. Такие радиаторы точно удачно впишутся в интерьер. В большинстве случаев покупатели отдают предпочтение белому цвету, который является универсальным;
• небольшие размеры.

В новых квартирах обычно биметаллические радиаторы сразу укомплектовывают терморегулятором. Это позволяет выставить оптимальный режим для проживания и не переплачивать за отопление. При необходимости можно и вовсе перекрыть подачу теплоносителя или уменьшить ее до минимума.

Именно благодаря этому спрос на такие радиаторы в последние годы существенно вырос. Однако не стоит забывать и про недостатки, которым практически всегда есть место.

Недостатки биметаллических радиаторов

Основной проблемой при эксплуатации таких радиаторов считается теплоноситель низкого качества. Он оказывает негативное влияние на все соединения, отчего напрямую зависит срок службы изделия.

В связи с разным коэффициентом расширения алюминия и стали у таких радиаторов спустя определенное время может появиться небольшой скрип, который в дальнейшем будет лишь усиливаться.

Немаловажным аспектом при выборе радиатора является его стоимость. У биметаллических моделей она существенно выше, нежели у чугунных, стальных или же алюминиевых моделей. В связи с этим некоторые потенциальные покупатели вынуждены отказаться от такого приобретения в силу отсутствия средств. Если и у вас такая же ситуация, обращайтесь в onclimat.ru, там дадут хорошую скидку.

Монтаж

Для монтирования таких нагревательных приборов хватит бригады из 2 рабочих. При этом используются стандартные кронштейны, которые крепятся при помощи дюбелей. Сам радиатор устанавливают горизонтально, не забывая про соблюдение уровня. Только в этом случае будут равномерно прогреты все секции

цены, характеристики в каталоге Dom-Termo

Теплоотдача 1 сек. DT 70 Гр, Вт	134
Размер секции (ВхГхШ), мм	415x100x80
Вес секции батареи, кг	1,5
Раб. / Опрес. давление (атм)	100 / 150
Варианты подключения:	боковое
Межцентровое расстояние, мм	350
Производство	Россия
Гарантия	25 лет
Выбор количества секций	1, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14
Диаметр подключения	3/4″

Плюсы и минусы биметаллических радиаторов отопления

На сегодняшний день биметаллические радиаторы – это один из самых  востребованных вариантов теплообменников для квартир.

Состоят они из двух видов металла. Обычно это алюминий и сталь. Выбирая биметаллический радиатор, нужно учитывать их преимущества и недостатки, технические характеристики.

Преимущества биметаллических радиаторов

Долговечность. Биметаллические радиаторы могут работать бесперебойно несколько десятилетий. Изнутри трубы полностью стальные, а все наружные части выполнены из алюминиевого сплава. Все стыки герметичны. Благодаря внутренней абсолютно гладкой поверхности в трубах не остается осадок из песка и окисей, циркулирующих в коллекторе.

Устойчивость. Стальной сердечник в биметаллических радиаторах позволяет выдерживать высокое давление и гидравлические колебания. Так что они бесперебойно функционируют даже в период профилактических сезонных работ.

Повышенная теплоотдача

. Благодаря внешнему корпусу из алюминия с хорошей теплопроводностью – теплоотдача максимально высокая. Может достигать до 185-190 Вт и выше. Это зависит от конструкции радиатора и расстояния между осевыми конструкциями.

Износостойкость. Биметаллические трубы почти не реагируют на воздействие щелочной среды. Таким образом, они лучше защищены от воздействия коррозии. Дополнительно производители проводят обработку внутренней части труб антикоррозионным полимерным составом.

Функциональность. Небольшой сердечник позволяет радиаторам очень быстро нагреваться и охлаждаться, почти сразу реагируя на настройки терморегулятора.

Эргономичность. Удобная секционная структура различной ширины и высоты, а так же современный стильный дизайн позволяет биметаллическим радиаторам органично вписаться в любой интерьер. Цветовые решения так же могут быть разными – от классического белого до изысканной бронзы или черного мрамора.

Безопасность. Конструкция с минимальным количеством острых углов наиболее безопасна в доме где есть дети.

Простота обслуживания. Монтаж и ремонт значительно проще, чем у аналогичных конструкций из чугуна. Поскольку вес биметаллических радиаторов в 5 раз меньше.

Минусы биметаллических радиаторов

Цена. По сравнению с обычными радиаторами из чугуна или алюминия биметаллические стоят в два-три раза дороже. Но стоимость оправдана их функциональными свойствами и защитой от коррозии, которой у стандартных радиаторов нет.

Перегрев. Если биметаллические радиаторы отопления установлены неправильно, то места где контакт плохой будут перегреваться. Так что, важно правильно установить радиаторы, чтобы они прослужили максимально долго и качественно.

Не подходит под антифриз. Если у вас установлена автономная система отопления с использованием антифриза, то биметаллические радиаторы вам не подойдут.

Популярные модели

В итоге, если смотреть на все плюсы и минусы этих радиаторов, то преимуществ значительно больше. Сейчас это один из самых опциональных вариантов в соотношении цена-качество, и идеально подойдет для отопления многоквартирного дома. А высокая цена окупается долгим сроком службы, повышенной теплоотдачей и удобством эксплуатации.

Биметаллические радиаторы отопления | Отопление дома и квартиры

 

Вступление

Здравствуйте. Тема этой статьи:  Биметаллические радиаторы отопления. По внешнему виду биметаллические радиаторы очень похожи на алюминиевые радиаторы. Смотря на них со стороны их практически невозможно отличить. Причина в этом очень проста, корпуса обоих типов радиаторов сделаны из алюминия.

Отличается биметаллический радиатор, своим внутренним устройством. В биметаллическом радиаторе, теплоноситель движется по стальным, а не по алюминиевым трубкам.

Чем это хорошо или плохо? Поясню. В алюминиевых радиаторах теплоноситель соприкасается с алюминием. Это значит, что кроме воды использовать другой теплоноситель в таких радиаторах нельзя. Антифриз и подобные теплоносители будут вступать в химическую реакцию, и окислять алюминий. Эта неприятность  не грозит биметаллическому радиатору. Стальные трубки биметаллического радиатора хорошо переносят любой не замерзающий теплоноситель, включая агрессивный антифриз.

Особенности биметаллических радиаторов

Биметаллические радиаторы относятся к конвективно-радиационному типу. Разделение по типу теплоотдачи 50% конвекция и 70% излучение.

Эти радиаторы секционные и их можно собрать из нескольких секций самостоятельно. Однако лучше в магазине покупать готовые, собранные радиаторы по рассчитанному количеству секций. Это надежнее, да и проще.

Стоит отметить, что биметаллическая батарея не имеет ограничений по максимальному давлению теплоносителя в системе. Вернее, теоретически такое ограничение есть, это рабочее давление в 30 Атм, но практически такое давление не возможно, ни в одной системе отопления. Поэтому, считается, что биметаллическая батарея не имеет ограничений по давлению.

Конечно, секция радиатора из биметалла, тяжелее чисто алюминиевого радиатора, но для практической установки это не имеет значение. Крепежи обоих типов радиаторов одинаковые.

Еще одним преимуществом радиатора из двух металлов, а именно это имеется в виду в названии типа радиатора-биметалл, это логичное соединение стальной трубы внутри радиатора и стальной трубы водопровода. Меньше переходников, меньше возможных протечек.

Поставка биметаллических радиаторов

В зависимости от фирмы производителя радиаторы из биметалла поставляются либо с четным, либо с нечетным  количеством секций.

Теплоотдача одной секции 145-220 Вт.

Высота радиаторов, тоже различна, есть высокие секции под большое расстояние под подоконником, есть и короткие секции, для небольших пространств под подоконником.

Понятно, что чем короче секция, тем меньше теплоотдача секции радиатора.

Расчет секций радиаторов отопления

Как всегда, приведу пример ориентировочного расчета нужного количества секций биметаллического радиатора.

Например, возьмем радиатор Sira rs 300, высотой 372 мм. Теплоотдача секции 145 Вт. Комната 18 метров, со всеми проблемами отопления: два окна, угловая квартира, правда, окна будут пластиковые, а значит, улучшена теплоизоляция. Потолок 2,65 метра.

Расчетное тепло для комнаты 100 Вт на 1 кв. метр при 3-х метровом потолке.

На 18 метров, в идеальных условиях теплоизоляции, нужно 1800 Вт.

В нашем примере в расчет включаются поправочные коэффициенты:  два окна – коэффициент 1,8, угловая квартира-1,8, пластиковые окна -0,8. Поправка на потолок: 2,65÷3=0,88.

Получаем: 1800×1,8×1,8×0,8×0,88=4105 Вт. Это нужная тепловая мощность для нашей комнаты.

Применимо к радиатору Sira rs 300, это 4105Вт÷145Вт=28 секций.

Кажется многовато, но если бы комната была с одним углом и не в углу здания. То нужно было бы, всего: 8 секций =1267 Вт÷145 Вт.

На этом про биметаллические радиаторы все!

©Obotoplenii.ru

Другие статьи раздела: Радиаторы

 

 

Похожие статьи

Биметаллические никель-молибденовые / вольфрамовые наносплавы для высокоэффективного катализа окисления водорода в щелочных электролитах

Синтез и определение характеристик Ni – Mo / W

Мы разработали катализаторы HOR на основе Ni и Mo (W), поскольку считалось, что они могут являются важными элементами ферментов гидрогеназы ^37,38 и потому, что соединения на основе Ni, как было замечено, опосредуют катализ HOR в щелочи с умеренными скоростями ^31,34 . Сначала мы синтезировали пластинчатые прекурсоры Ni (OH) ₂ , легированные Mo (W), путем микроволнового нагрева Ni (NO ₃ ) ₂ · 6H ₂ O и (NH ₄ ) ₆ Mo ₇ O ₂₄ · 4H ₂ O (или (NH ₄ ) ₁₀ W ₁₂ O ₄₁ · x H ₂ O) в NH ₃ · Смесь H ₂ O / этиленгликоль / H ₂ O при 200 ° C (рис.1а и дополнительные рис. 1 и 2). Полученные сырые порошки затем отжигались в атмосфере водорода / аргона (H ₂ / Ar: 5/95) при 400 ° C для получения сплава Mo – Ni (или 500 ° C для сплава W – Ni; рис. 1a). Наш микроволновый реактор, оснащенный автоматическим плечом, позволяет нам получать сплавы Mo (W) –Ni в масштабе нескольких граммов за одну партию (вставки на рис. 1b, e), что предполагает потенциально крупномасштабное использование. Оба двух полученных сплава демонстрируют схожую морфологию при сканировании с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) (рис. 1б, д). Более щелевидные поры, образовавшиеся в результате агрегирования нанолистов в процессе отжига, видны для сплава Mo – Ni (рис. 1b). Многоугольная кольцевая сканирующая электронная микроскопия в темном поле с коррекцией аберрации (HAADF-STEM) сплава Mo – Ni показывает взаимосвязанные нанолисты с пористыми поверхностями (рис. 1c и дополнительный рис. 3), тогда как сплав W – Ni был сформирован как агрегация перекрывающихся наночастиц (рис. 1f и дополнительный рис. 4). По морфологическим признакам площадь поверхности Брунауэра – Эммета – Теллера (БЭТ) составляет 63.3 и 33,9 м ² г ⁻¹ для сплавов Mo – Ni и W – Ni (дополнительный рис. 5) соответственно. Изображения HAADF-STEM с атомным разрешением и соответствующие быстрые FT-анализы демонстрируют образование тетрагональных кристаллических фаз MoNi ₄ и WNi ₄ (рис. 1d, g, вставки). Могут наблюдаться многочисленные атомные ступеньки на поверхности сплавов MoNi ₄ и WNi ₄ (см. Белые стрелки на рис. 1d, g), вероятно, вызванные обработками высокотемпературным отжигом.Исследования дифракции рентгеновских лучей (XRD) дополнительно подтверждают успешное превращение предшественников Ni (OH) ₂ , легированных Mo (W) (дополнительный рис. 1), в полностью легированный тетрагональный MoNi ₄ (JCPDS 65-5480) и WNi. ₄ (JCPDS 65-2673) фаз (рис. 1h; соответствующие кристаллические структуры показаны на вставках). Следует отметить, что дифракционные пики MoNi ₄ и WNi ₄ отличаются от пиков чистого Ni, синтезированного тем же способом (рис. 1h и дополнительный рис.6), предполагая структурные изменения, вызванные сплавом, которые могут регулировать каталитические функции. Элементарное отображение спектра энергодисперсионного рентгеновского излучения (EDX) на рис. 1i представляет однородное пространственное распределение Mo (W) и Ni в продуктах Mo (W) Ni ₄ , а общее отношение Mo (W) к Ni было равным. определено как 1: 4 на основе измерений EDX и атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой (ICP-AES) (дополнительный рисунок 7 и дополнительная таблица 1).

Рис. 1. Синтез и физическая характеристика сплавов MoNi ₄ и WNi ₄ .

a Схематическое изображение синтеза сплавов MoNi ₄ и WNi ₄ . b , e СЭМ-изображения сплавов MoNi ₄ и WNi ₄ соответственно. Масштабные линейки, 200 нм. На вставках в b , e приведены фотографии сплавов MoNi ₄ (2,2 г) и WNi ₄ (4,0 г), синтезированных за одну партию. c , f STEM-изображения сплавов MoNi ₄ и WNi ₄ соответственно.Масштабные линейки, 200 нм c и 50 нм f . d , g Изображения HAADF-STEM с атомным разрешением типичных частиц MoNi ₄ и WNi ₄ соответственно. Масштабные линейки, 2 нм. На вставках в d , g показаны соответствующие шаблоны БПФ. Белые стрелки обозначают атомные ступени. h Рентгенограммы MoNi ₄ , WNi ₄ и свежесинтезированного Ni. На вставках показаны соответствующие кристаллические структуры. и Сопоставление элементов STEM-EDX для сплавов MoNi ₄ и WNi ₄ .Масштабные полосы: 500 нм (вверх) и 100 нм (вниз).

Рентгеновская абсорбционная спектроскопия используется для исследования влияния легирования Mo (W) на химическую среду Ni. На рис. 2а представлены спектры ближней структуры поглощения рентгеновских лучей (XANES) MoNi ₄ и WNi ₄ на K-крае Ni, которые аналогичны спектрам недавно синтезированных эталонов из фольги Ni и Ni, но сильно отличаются друг от друга. от эталона NiO, что указывает на металлическую природу легированных продуктов. Радиальная структурная функция вокруг Ni была определена с помощью преобразования Фурье (FT) расширенных спектров тонкой структуры поглощения рентгеновских лучей (EXAFS) (рис.2b и дополнительный рис. 8). Мы связали основной пик при ~ 2.2 Å со связями Ni – Mo (Ni) и Ni – W (Ni) в сплавах MoNi ₄ и WNi ₄ ^39,40 . Связи Ni – O и Ni – Ni, принадлежащие эталону NiO, не наблюдались. Уменьшение интенсивности пиков по сравнению со связями Ni – Ni в свежесинтезированной Ni и Ni фольге указывает на затухающую координационную структуру Ni. Кроме того, фитинги EXAFS с K-краем Ni показывают, что координационные числа (КЧ) Ni – Mo (W) первой оболочки уменьшаются с Ni (~ 10.5) на MoNi ₄ (~ 8,8) и WNi ₄ (~ 8,6) соответственно. (Рис. 2c, Дополнительный Рис. 9 и Дополнительная Таблица 2). Более низкое CN может быть отнесено к богатым поверхностным ступеням на наших легированных катализаторах (рис. 1d, g), которые могут увеличивать активные центры, которые модулируют адсорбционную способность. Кривые FT на краях Mo K и W L ₃ на рис. 2d показывают преобладающие пики при ~ 2,2 Å, соответствующие связям Mo – Ni и W – Ni (дополнительные рис. 10 и 11), соответственно. Результаты вейвлет-преобразования EXAFS (рис.2e) — мощный метод, который может различать атомы обратного рассеяния ⁴¹ — демонстрирует только один максимум интенсивности при ~ 8,0 Å ⁻¹ в пространстве k , который соответствует связям Mo – Ni и W – Ni в MoNi ₄ и сплавы WNi ₄ . Напротив, анализ вейвлет-преобразования эталонов из фольги Mo и порошка W дает более высокий максимум интенсивности (рис. 2e), предполагая, что атомы Mo / W образуют структуры, в которых их первая координационная оболочка образована только атомами Ni, а локальные Mo и W отсутствуют. металлы образуются в приготовленных сплавах, что согласуется с результатами на рис.2г. Кроме того, анализ рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS) показывает превосходную стойкость к пассивированию поверхности наших легированных катализаторов по сравнению с одиночным Ni (дополнительный рис. 12). Вместе мы пришли к выводу, что легирование Ni с Mo (W) обеспечивает четкие структурные и композиционные изменения, которые, как мы ожидаем, улучшат катализ HOR в щелочных электролитах.

Рис. 2: Структурный анализ сплавов MoNi ₄ и WNi ₄ .

a , b Ni K-краевые XANES-спектры и соответствующие преобразования Фурье k ³ -взвешенных EXAFS-спектров для Mo (W) Ni ₄ сплавов, свежесинтезированных Ni, фольги Ni и NiO ссылка. c Средние координационные числа (КЧ) в первой координационной сфере атомов Ni для MoNi ₄ , WNi ₄ и свежесинтезированного Ni методом аппроксимации кривых спектров EXAFS. CN массивного Ni (Ni фольга) составляет 12. d Фурье-преобразования k ³ -взвешенных EXAFS-спектров Mo K-край (вверх) и W L ₃ -край (вниз), соответственно. e Соответствующие вейвлет-преобразования k ³ -взвешенных EXAFS-спектров Mo K-edge (вверх) и W L ₃ -edge (вниз), соответственно.

Электрокаталитический HOR в щелочных электролитах

Теперь мы исследуем электрокаталитическую активность катализаторов MoNi ₄ и WNi ₄ по отношению к HOR в H ₂ -насыщенный 0,1 M KOH электролит в трехэлектродной установке; с эталонными измерениями свеже синтезированного Ni, а также коммерческого Pt / C (20 мас.% Pt на угле Vulcan XC72R) для сравнения (см. «Методы»). Была выбрана очень низкая скорость развертки 0,5 мВ с ⁻¹ , чтобы минимизировать вклад емкости и гарантировать стабильное измерение (дополнительный рис. 13). Оптимальная загрузка катализатора на инертном электроде с вращающимся диском из стеклоуглерода (RDE) была экспериментально определена как 0,5 мг / см ^-2 (дополнительный рис. 14). Отметим, что электрохимические данные, представленные здесь, были скорректированы по iR ( i , ток; R , сопротивление) для нескомпенсированного омического падения (дополнительный рисунок 15).

Поляризационные кривые для HOR на исследованных катализаторах представлены на рис. 3a, которые показывают, что катализаторы MoNi ₄ и WNi ₄ обладают потенциалом начала для получения тока HOR до 0 В по сравнению с обратимым водородным электродом (RHE ), что указывает на их замечательную энергетику для HOR в щелочи.Напротив, свежесинтезированный Ni-катализатор влияет лишь на незначительную активность HOR. Два катализатора из сплава HOR, не содержащие МПГ, могут достигать ограничивающего диффузию тока в области потенциала> 0,05 В, в то время как смешанная область управления кинетической диффузией происходит в диапазоне от 0 до 0,05 В. Рисунок 3a также показывает, что катализатор MoNi ₄ даже превосходит современный катализатор Pt / C от кинетических до областей ограничения диффузии. Полуволновой потенциал катализатора MoNi ₄ при 1600 р.вечера. составляет всего 14 мВ, что на ~ 5 мВ ниже, чем у катализатора Pt / C, что дополнительно свидетельствует о превосходной активности HOR катализатора MoNi ₄ .

Рис. 3: Электрокаталитические характеристики HOR.

a Поляризационные кривые для HOR на MoNi ₄ , WNi ₄ , свеже синтезированном Ni и коммерческом катализаторе Pt / C, измеренные в H ₂ -насыщенном 0,1 М КОН. Скорость развертки: 0,5 мВ · с ⁻¹ . Скорость вращения: 1600 об / мин. b , c Поляризационные кривые HOR для сплавов MoNi ₄ и WNi ₄ при различных скоростях вращения соответственно.Скорость развертки: 0,5 мВ · с ⁻¹ . На вставках в b , c показаны соответствующие графики Коутецкого – Левича при перенапряжении 25 мВ. d Сравнение кинетической плотности тока ( j _k ) при 50 мВ (с рисунком) и кажущейся плотности тока обмена ( j ₀ ; без образца) различных исследованных катализаторов. Планки погрешностей (стандартные отклонения) в d рассчитываются на основе трех независимых результатов испытаний. e HOR / HER Тафелевские графики плотности кинетического тока на MoNi ₄ , WNi ₄ , Ni и Pt / C в H ₂ -насыщенных 0.1 М КОН. f Графики Аррениуса плотностей тока обмена HOR / HER на катализаторах MoNi ₄ , WNi ₄ и Pt / C в 0,1 М КОН.

Затем мы исследовали поляризационные кривые HOR на наших катализаторах MoNi ₄ и WNi ₄ в зависимости от скорости вращения, где плотность тока плато растет с увеличением скорости вращения из-за ускоренного массопереноса (рис. 3b, в). Графики Коутецкого – Левича, построенные при 25 мВ, показывают линейную зависимость между величиной, обратной величине общей плотности тока, и квадратным корнем из скорости вращения, что дает расчетный наклон, равный 4. 60 см ² мА ⁻¹ с ^−1/2 для MoNi ₄ (вставка на рис. 3b) и 4,32 см ² мА ⁻¹ с ^−1/2 для WNi ₄ (вставка на рис. 3c), что вполне соответствует теоретическому значению 4,87 см ² мА ⁻¹ с ^−1/2 для двухэлектронного процесса HOR ³⁴ . Далее мы использовали уравнение Коутецкого – Левича для расчета кинетической плотности тока ( j _k ). При 50 мВ геометрическая j _k 33.8 мА / см ^-2 было получено для катализатора MoNi ₄ , что представляет собой увеличение в 105 и 2,8 раза по сравнению с таковыми для свеже синтезированных Ni и коммерческих катализаторов Pt / C (рис. 3d).

Затем мы извлекли плотность тока обмена ( j ₀ ) на исследуемых катализаторах из линейной аппроксимации областей микрополяризации (от -5 до 5 мВ; дополнительный рис. 16). Катализатор MoNi ₄ показывает геометрическое значение j ₀ 3,41 мА · см ⁻² , что намного выше 0. 19 мА см ^-2 для свежесинтезированного Ni и 2,47 мА см ^-2 для катализатора Pt / C (рис. 3d и дополнительная таблица 3). Геометрическое значение j ₀ на катализаторе WNi ₄ составляет 1,87 мА · см ^-2 , что немного ниже, чем у катализатора Pt / C. Эти значения хорошо согласуются с результатами аппроксимации уравнения Батлера – Фольмера в тафелевских областях (рис. 3e; подробности см. В разделе «Методы»). Собственные активности HOR исследуемых катализаторов далее сравнивались с помощью нормированной электрохимической активной поверхности (ECSA) j ₀ (подробности см. В разделе «Методы» и на дополнительных рисунках.17 и 18). Катализаторы MoNi ₄ и WNi ₄ обеспечивают очень высокие нормированные по ECSA j ₀ 0,065 и 0,068 мА см ^-2 , соответственно, что, насколько нам известно, не было достигнуто любые другие катализаторы, не содержащие МПГ, в щелочных электролитах, включая различные соединения на основе Ni, синтезированные другими методами (дополнительный рисунок 19 и дополнительная таблица 4).

Кроме того, мы исследовали энергию активации ( E _a ) HOR на исследованных катализаторах, построив геометрический график j ₀ с обратной температурой (рис.3е). Было обнаружено, что линейная зависимость между 283 и 313 K соответствует поведению Аррениуса, из которого E _a значения 18,59, 27,42 и 20,07 кДж моль ⁻¹ были получены для MoNi ₄ , WNi ₄ и катализаторы Pt / C (рис. 3е и дополнительные рис. 20 и 21) соответственно. Отметим, что E _и 20,07 кДж моль ^-1 , измеренные для катализатора Pt / C, разумно совпадают с 23 кДж моль ^-1 для Pt (110), о которых сообщалось ранее ²⁵ .Значительно меньшие значения E _и , достигнутые для катализатора MoNi ₄ , предполагают заметную кинетику HOR в щелочной среде, даже превосходящую тест Pt / C. Кроме того, мы провели серию контрольных экспериментов и обнаружили, что отношение Mo (W) к Ni и температура отжига являются критическими для активности HOR (дополнительные рисунки 22 и 25). Эти эксперименты показывают, что сплавы Mo – Ni и W – Ni с соотношением Mo (W) к Ni 1: 4, полученные отжигом при 400 и 500 ° C, соответственно, будут обеспечивать наилучшие характеристики HOR.Мы также отмечаем, что наши листы MoNi ₄ превосходят обычные наночастицы MoNi ₄ для HOR из-за пористой структуры, которая предлагает богатые активные центры (дополнительный рис. 26).

Приведенные выше результаты демонстрируют исключительный катализ HOR в щелочных электролитах на катализаторах MoNi ₄ и WNi ₄ , из которых реакционная способность MoNi ₄ даже превосходит эталонную Pt / C. Помимо активности, еще одним очень важным фактором для будущих применений анодов HEMFC является электрохимическая и рабочая стабильность.Поэтому мы провели агрессивные измерения долгосрочной стабильности на катализаторах MoNi ₄ и WNi ₄ (рис. 4). Во-первых, мы провели ускоренные испытания стабильности, применив сканирование линейного потенциала от 0,05 до 0,15 В при 100 мВ с ^-1 в H ₂ -насыщенных 0,1 М KOH электролитах при комнатной температуре. При перенапряжении 50 мВ плотность тока HOR для катализатора MoNi ₄ показывает небольшую потерю 0,25 мА · см ^-2 после 2000 циклов (рис. 4a) по сравнению с потерей 0.41 мА см ⁻² для катализатора WNi ₄ (рис. 4б). Во-вторых, исследуемые катализаторы наносили на копировальную бумагу (загрузка катализатора: 2 мг / см ^-2 ) и оценивали стабильность работы с помощью хроноамперометрии ( j ~ t). На рисунке 4c показано, что плотность тока при 60 мВ стабильна без заметного спада в течение 20-часового непрерывного испытания для катализатора MoNi ₄ , тогда как ток HOR не генерировался в 0,1 M KOH, насыщенном Ar, при том же перенапряжении (дополнительный рис.27). Множественные посмертные исследования показывают, что морфология и структура катализатора MoNi ₄ сохраняются в хорошем состоянии (дополнительные рисунки 28–30). Напротив, катализатор Pt / C претерпевает заметную деградацию, которая сохраняет всего 57% своей первоначальной плотности тока после 20 часов работы. Это большое падение можно приписать постепенной агломерации наночастиц Pt во время теста на стабильность (дополнительный рисунок 31). Катализатор WNi ₄ также демонстрирует деградацию, но гораздо медленнее по сравнению с катализатором Pt / C (рис.4c и дополнительные фиг. 28, 29, 32). Таким образом, эти результаты предполагают, что наши катализаторы MoNi ₄ и WNi ₄ имеют стабильность намного лучше, чем коммерческий катализатор Pt / C.

Рис. 4: Стабильность работы и устойчивость к CO.

a , b Поляризационные кривые HOR для сплавов MoNi ₄ и WNi ₄ в H ₂ -насыщенных 0,1 М КОН до и после 2000 циклов соответственно. c Хроноамперометрические ответы ( j — t ), зарегистрированные на катализаторах MoNi ₄ , WNi ₄ и Pt / C при перенапряжении 60 мВ в H ₂ -насыщенном 0.1 М КОН. d Поляризационные кривые HOR для MoNi ₄ и сплавов Pt / C в H ₂ -насыщенном 0,1 M KOH с (пунктирные линии) и без (сплошные линии) присутствием 20000 p. pm. CO.

Оценка устойчивости к CO

В топливных элементах катализаторы PGM (особенно Pt) на анодах легко отравляются примесными газами, такими как CO, которые присутствуют в водородном топливе. Такое отравление вызвано преимущественным связыванием CO с Pt, что, следовательно, блокирует участки адсорбции и диссоциации водорода.Неожиданно мы обнаружили, что катализатор MoNi ₄ проявляет возбуждающую активность HOR даже в присутствии 20000 ч. / Мин. CO (рис. 4г). При той же концентрации CO не было обнаружено активности HOR на катализаторе Pt / C, что свидетельствует о полном отравлении сайтов окисления H ₂ связыванием CO (рис. 4d). Наши расчеты по теории функционала плотности (DFT) показывают значительно более высокую адсорбционную способность Pt в отношении CO по сравнению со сплавом MoNi ₄ (дополнительный рис. 33), что приводит к тому, что поверхность Pt покрыта CO и, таким образом, дезактивируется.Более того, предпочтительная адсорбция ОН на поверхности MoNi ₄ способствует окислению адсорбированного СО, что также объясняет его заметные свойства устойчивости к СО. Высокая устойчивость нашего катализатора из сплава MoNi ₄ к CO может еще больше повлиять на поиски усовершенствованных анодов топливных элементов на основе материалов, не содержащих МПГ.

Механизм увеличения HOR

Хотя материалы на основе Ni и Ni были тщательно изучены в качестве катализаторов HOR без МПГ в щелочных электролитах, почти все предыдущие катализаторы HOR на основе Ni демонстрируют относительно низкий уровень активности и их долгосрочную стабильность. тоже проблематично.Здесь превосходная каталитическая способность HOR, наблюдаемая на наших легко изготовленных сплавах MoNi ₄ и WNi ₄ , подтолкнула нас к исследованию внутреннего механизма высоких характеристик, предлагая, таким образом, руководство для разработки более совершенных катализаторов HOR.

Мы исследовали электронную структуру MoNi ₄ , WNi ₄ и свежесинтезированного Ni с помощью ультрафиолетовой фотоэлектронной спектроскопии. Из спектров валентных полос мы обнаружили, что все эти катализаторы имеют электронные полосы поперек уровня Ферми ( E _F ; рис. 5а). Пики, расположенные между 0 и 2 эВ, могут быть отнесены к полосе металла d ^42,43 , которая достигает максимума при 0,28, 0,80 и 1,09 эВ для свежесинтезированного Ni, MoNi ₄ и WNi _{. 4} соответственно. Максимум полосы металла d относительно E _F в наших сплавах MoNi ₄ и WNi ₄ смещен далеко относительно эталона Ni. Согласно теории полосы d , эти результаты предполагают, что заполнение антисвязывающих состояний металл-H выше E _F улучшается для катализаторов MoNi ₄ и WNi ₄ , обеспечивая им более слабую энергию адсорбции, поскольку по сравнению с Ni ⁴⁴ .Несмотря на то, что механизм HOR на МПГ в щелочной среде все еще обсуждается, в предыдущих исследованиях было высказано предположение, что низкая активность HOR на никелевом катализаторе была вызвана слишком высоким HBE ³⁴ . Таким образом, мы частично приписываем заметную реакционную способность HOR, наблюдаемую на катализаторах MoNi ₄ и WNi ₄ , соответственно ослабленным HBE.

Рис. 5: HBE и OHBE.

a UPS спектры MoNi ₄ , WNi ₄ и свежесинтезированных Ni катализаторов. b Измерения удаления CO на MoNi ₄ , WNi ₄ и на свежесинтезированных катализаторах Ni и Pt / C. Скорость развертки: 20 мВ с ⁻¹ . Скорость вращения: 1600 об / мин. Серые кривые в b показывают второй цикл измерений. c Экспериментально измеренная плотность тока обмена, нормированная с помощью ECSA, log ( j ₀ ) для HOR в 0,1 М КОН на различных катализаторах, построенная с рассчитанными энергиями связи H и OH. d — f Схематическое изображение адсорбции водорода и гидроксила на свежесинтезированных сплавах Ni, Mo (W) Ni ₄ и Pt соответственно.

Мы отмечаем, что OHBE, или оба HBE и OHBE, также считаются дескриптором активности для катализа HOR, который недавно был теоретически предсказан и экспериментально исследован ^9,27 , например, исследование нанокатализатора PdCu для щелочного HOR ⁹ . Учитывая, что CO может адсорбироваться на многих металлических поверхностях ^10,45,46 , мы, таким образом, провели эксперименты по удалению CO, чтобы контролировать связывание ОН на поверхности нашего катализатора, потому что OH _и облегчает удаление CO _и ²¹ .Результаты наших экспериментов по удалению CO, показанные на рис. 5b, показывают, что пик удаления CO на катализаторе Pt / C находится при 0,69 В, что согласуется с предыдущими отчетами ²³ . На рис. 5b также показаны более низкие пики отгонки CO при 0,52 и 0,49 В для катализаторов MoNi ₄ и WNi ₄ , тогда как для недавно синтезированного Ni наблюдается незначительный пик отгонки CO. Некоторые предыдущие работы приписывали вялую кинетику HOR на Pt ее слабому связыванию OH _и в щелочи ^8,23,27 .Наши результаты по удалению CO показывают, что улучшенный OHBE на MoNi ₄ и WNi ₄ также может быть ответственным за их высокую энергию HOR.

Чтобы лучше понять механизм, лежащий в основе заметных характеристик HOR, были выполнены дальнейшие вычисления DFT. Мы создали и оптимизировали модели катализаторов MoNi ₄ (211), WNi ₄ (211), Ni (111) и Pt (111) для представления каталитических поверхностей (см. «Методы»; дополнительные рисунки 34–36). ). Результаты DFT показывают, что HBE Ni (111) слишком сильна, в то время как MoNi ₄ (211) дает очень похожую HBE с моделью Pt (111) (рис.5в – е). При сравнении OHBE MoNi ₄ (211) с таковым для Pt (111) мы наблюдали сильно усиленную адсорбцию гидроксила, что может объяснить превосходную реакционную способность HOR катализатора MoNi ₄ (рис. 5c-f и дополнительная таблица 3). Наши результаты расчетов показывают, что легирование Ni с Mo (W) не только ослабляет HBE на сайтах Ni, но также позволяет увеличить OHBE на сайтах Mo (W), что существенно способствует ключевой ступени Фольмера (дополнительные рисунки 37–39), что привело к улучшению HOR. Мы также вычислили HBE и OHBE других катализаторов, таких как Mo, W, CoNi ₄ и FeNi ₄ , для сравнения (рис. 5c и дополнительные рисунки 36 и 40), и дополнительная информация о расчетах представлена ​​на Дополнительные рис. 38, 39 и 41. Моделирование показывает, что, хотя эти материалы имеют более сильный ОНВЭ, чем Pt (111), их HBE, к сожалению, слишком сильны (рис. 5c), что приводит к низкой активности HOR (дополнительные рис. 42–45). .

Взятые вместе, наши измерения UPS и удаления CO в сочетании с расчетами DFT показали, что синергетическое взаимодействие между HBE и OHBE, вероятно, определяет скорость HOR в щелочных электролитах; и поразительная реакционная способность HOR, наблюдаемая на сплавах MoNi ₄ и WNi ₄ , может быть интерпретирована как оптимальная адсорбция водорода на Ni и гидроксила на Mo (W), тем самым усиливая лимитирующую скорость реакции Фольмера при щелочном катализе HOR (рис. .5d – f и дополнительный рис. 46).

биметаллизм | денежная система | Britannica

биметаллизм , денежный стандарт или система, основанная на использовании двух металлов, традиционно золота и серебра, а не одного (монометаллизм). Типичная биметаллическая система XIX века определяла по закону денежную единицу страны как фиксированное количество золота и серебра (таким образом, автоматически устанавливая курс обмена между двумя металлами). Система также обеспечивала свободный и неограниченный рынок для этих двух металлов, не накладывала ограничений на использование и чеканку любого из металлов и делала все другие деньги в обращении обменяемыми на золото или серебро.Основная проблема в международном использовании биметаллизма заключалась в том, что каждая страна независимо устанавливала свой собственный обменный курс между двумя металлами, и полученные курсы часто сильно различались от страны к стране.

Пытаясь установить биметаллическую систему в международном масштабе, Франция, Бельгия, Италия и Швейцария сформировали Латинский валютный союз в 1865 году. Союз установил монетарное соотношение между двумя металлами и предоставил использование одних и тех же стандартных единиц. и выпуск монет.Система была подорвана денежными манипуляциями Италии и Греции (что было признано позже) и быстро прекратилась во время франко-германской войны (1870–1871 гг. ). Будущее биметаллического стандарта, по-видимому, было решено на международной валютной конференции, состоявшейся в Париже в 1867 году, когда большинство делегатов проголосовало за золотой стандарт.

Сторонники биметаллизма приводят три аргумента в его пользу: (1) сочетание двух металлов может обеспечить большие денежные резервы; (2) большая стабильность цен будет результатом большей денежной базы; и (3) это приведет к большему облегчению определения и стабилизации обменных курсов между странами, использующими золотые, серебряные или биметаллические стандарты.

Аргументы против биметаллизма следующие: (1) для одной страны практически невозможно использовать такой стандарт без международного сотрудничества; (2) такая система расточительна, поскольку добыча, обработка и чеканка двух металлов обходятся дороже; (3) поскольку стабильность цен зависит не только от типа денежной базы, биметаллизм не обеспечивает большей стабильности цен; и (4) что наиболее важно, биметаллизм фактически замораживает соотношение цен на два металла без учета изменений в их спросе и условиях предложения. Такие изменения могут помешать попыткам поддерживать двойные стандарты. См. Также закон Грешема.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Биметаллические сплавы

Металлические электроды подверглись обширным исследованиям на предмет их способности способствовать электрохимическому восстановлению CO ₂ . В значительной степени эти металлы можно разделить на три категории: (1) металлы, которые осуществляют только выделение H ₂ , но не восстановление CO ₂ (например,g., большинство переходных металлов), (2) металлы, которые генерируют двухэлектронные восстановленные продукты CO или HCOOH (например, большинство p -блочных металлов), и (3) медь, которая генерирует сильно восстановленные углеводороды. Хотя металлы широко исследовались на способность восстанавливать СО ₂ , для тех же целей исследовалось значительно меньше биметаллических сплавов. Более того, немногочисленные исследования сплавов, о которых сообщалось, показывают, что нельзя ожидать объединения двух металлов и получения тех же продуктов восстановления CO ₂ , которые два составляющих металла производят сами по себе. Таким образом, одна из областей исследований лаборатории Bocarsly Lab включает (1) открытие новых электрокатализаторов из биметаллических сплавов, восстанавливающих CO ₂ , и (2) лучшее понимание способов, которыми известные катализаторы из сплавов способствуют восстановлению CO ₂ .

Один из примеров текущего проекта по производству биметаллических сплавов в группе включает исследование тонкопленочных сплавов Ni _a Ga _b как материалов, которые способствуют электрохимическому восстановлению CO ₂ . Тонкие пленки Ni _a Ga _b были синтезированы как на высокоориентированном пиролитическом графите (HOPG), так и на стеклоуглеродных подложках и затем проанализированы методами порошковой дифракции рентгеновских лучей, энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии и сканирующей электронной микроскопии (ниже) .Затем материалы были использованы в экспериментах по электролизу с насыщением CO ₂ в объеме, которые продемонстрировали, что как образовавшиеся продукты восстановления CO ₂ , так и их фарадеевская эффективность коррелировали с идентичностью материала подложки (т. Е. ВОПГ по сравнению со стеклоуглеродом). . Этот результат важен, потому что субстрат в пленочном восстановлении CO ₂ часто рассматривается как невинный наблюдатель (т.е. «дом» для тонкопленочного катализатора, восстанавливающего CO ₂ ) в процессе электрокатализа.Однако в этом случае пленка играет роль либо во время синтеза пленки, либо во время самого электрохимического восстановления.

Изображения Ni3Ga на ВОПГ (слева) и стеклоуглероде (справа), полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии. Несмотря на одинаковый состав Ni-Ga, пленки имеют резко контрастирующую морфологию.

Исследовательские проекты по биметаллическому сплаву CO ₂ катализаторов восстановления в лаборатории Бокарсли обычно приводят к получению знаний о методах твердотельного синтеза (например,g., использование печи, дуговая плавка), методы определения характеристик материалов (например, порошковая дифракция рентгеновских лучей, электронная микроскопия), электрохимические эксперименты (например, циклическая вольтамперометрия, электролиз) и методы анализа продуктов (например, газовая хроматография, ЯМР-спектроскопия) .

Биметаллический катализатор — обзор

5.4.1.3 Биметаллический катализатор

Использование биметаллических каталитических систем является еще одним подходом к повышению производительности для CPOX. Этот подход отличается от промотированных катализаторов тем, что биметаллические катализаторы состоят из двух металлов, которые по отдельности активны для реакции, но при различных соотношениях могут проявлять синергетический эффект.Это может быть результатом того, что металлы более активны на различных стадиях механизма реакции. Это может быть очень полезно для сложных механизмов, таких как CPOX.

Отдельная активность каждого металла не означает, что между ними нет взаимодействия или что их свойства не изменены. Это было продемонстрировано Basile et al. [93], которые идентифицировали синергетический эффект с катализатором Ni-Rh в материалах гидроталькита для CPOX метана. Об этом свидетельствует превосходная эффективность катализаторов, содержащих оба металла, по сравнению с катализаторами, содержащими один или другой, и был сделан вывод, что присутствие Rh помогает металлическому Ni оставаться в восстановленном состоянии даже в присутствии богатого кислородом условия. Катализаторы Ru-Ni и Ir-Ni также были изучены, но первоначальные испытания, в которые они были включены, показали неразличимые характеристики катализаторов, поскольку все они работали в условиях, близких к равновесным. Только катализаторы Rh и Ni были испытаны в условиях, когда конверсия кислорода была неполной.

Basile et al. [93] также использовали риформинг метана CO ₂ для характеристики устойчивости катализаторов к образованию углерода. Катализатор с Rh и Ni содержал 0.67 г углерода после реакции, тогда как катализаторы Rh и Ni по отдельности содержали 0,71 и 3,05 г углерода соответственно. Это объясняется тем, что Ni более активен в превращении CO ₂ , а Rh более активен в превращении метана.

Другой биметаллической каталитической системой, которая была исследована для превращения метана, был катализатор Ni-Sn, исследованный Nikolla et al. [94]. Хотя исследование проводилось для SR, этот подход, который снижает образование углерода, применим и к CPOX. В этой работе использовались расчеты методом DFT, чтобы предсказать, что легирование Sn с Ni-катализатором будет преимущественно окислять поверхностные атомы C, а не образовывать связи C – C. Было также высказано предположение, что катализаторы будут иметь более низкую термодинамическую движущую силу для зародышеобразования углерода. В конечном итоге исследования реактора подтвердили предсказания модели, и катализаторы Sn-Ni производили меньше углерода, чем катализаторы Ni, для риформинга метана, пропана и изооктана.

Другими примерами биметаллических катализаторов являются исследования модифицированных Ni-катализаторов [63] и модифицированных Co-катализаторов, проведенные Enger et al.[95]. Эти исследования включены в этот раздел, поскольку многие из биметаллических систем состояли из двух металлов, которые независимо друг от друга активны для CPOX метана, и для целей этого обсуждения не рассматриваются как просто промоторы. Катализаторы Ni и Co были объединены с очень небольшими количествами ряда различных металлов. Все катализаторы были нанесены на оксид алюминия.

Ni был модифицирован Co, Fe, Cr, Mn, W и Mo (Me / Ni = 1/15 моль), а также Re, Cu, Pt, Rh и Pd (Me / Ni = 1/100). .Наиболее интересные результаты для катализаторов Me / Ni заключались в том, что добавление металлов, которые трудно восстановить (W, Fe и Mn), уменьшало количество горения в передней части слоя катализатора, в то время как добавление легко восстанавливаемых металлов ( Mo, Pt, Pd и Rh) увеличивали активность горения, что приводило к большим градиентам температуры.

Co был модифицирован Ni, Fe, Cr, Re, Mn, W, Mo, V и Ta (Me / Co = 1/15). Для этих катализаторов Mo, Fe, W, V и Ta продемонстрировали пагубное влияние на характеристики CPOX.Как и в случае катализаторов Me / Ni, это объясняется их склонностью к легкому окислению.

Преодоление несовместимости с библиотекой биметаллических катализаторов

ВВЕДЕНИЕ

Биметаллические наночастицы вызывают широкий интерес в различных областях ( 1 , 2 ), особенно в гетерогенных каталитических реакциях, таких как окисление CO ( 3 ), риформинг углеводородов ( 4 ), а также преобразование CO ₂ в топливо и химикаты ( 5 ). В отличие от монометаллических материалов, биметаллические наночастицы часто проявляют уникальные каталитические свойства, недоступные только для составляющих их металлов ( 6 ). Например, многочисленные биметаллические катализаторы на основе Ni, модифицированные такими металлами, как Au и Pt, продемонстрировали большую стойкость к осаждению углерода по сравнению с чистым Ni при сухом реформинге метана ( 4 , 7 ). Тем не менее, определение происхождения улучшения характеристик в биметаллических системах остается фундаментальной проблемой в катализе, в основном из-за сложной природы наноструктурированных биметаллических частиц.Многие факторы, такие как химическая природа составляющих металлов, размер частиц и наноразмерное расположение двух составляющих металлов, могут играть важную роль в определении физико-химических свойств ( 2 ), что по своей сути затрудняет корреляцию структуры и каталитическое поведение ( 8 , 9 ). Следовательно, для минимизации неоднородности биметаллических катализаторов необходим общий метод синтеза, который может приготовить широкий набор однородно легированных биметаллических наночастиц с идентичной структурой. Однако многие биметаллические системы не существуют как гомогенные сплавы, демонстрируя большие промежутки смешиваемости на диаграммах состояния из-за их положительной теплоты смешения. Например, с помощью традиционных методов, таких как индукция, одновременное термическое разложение, рост, опосредованный зародышем и гальваническое замещение, биметаллические структуры обычно ограничиваются их термодинамически благоприятными структурами, а синтезы имеют тенденцию давать ядро-оболочку или другие гетероструктуры ( 1 , 2 , 10 ).Хотя некоторые нетрадиционные методы, такие как γ-облучение ( 11 ), искровой разряд ( 12 ), импульсная лазерная абляция ( 13 ) и поверхностный плазмонный резонанс ( 14 ), были исследованы для смешивания несмешивающихся элементов , эти методы зависят от экстремальных условий и сложных процессов или применимы только к конкретным биметаллическим системам. Здесь мы сообщаем о неравновесной синтетической стратегии для преодоления несмешиваемости биметаллических материалов и использования биметаллических материалов на основе Cu (Cu-X) в качестве доказательства концепции. показать успешное смешение биметаллических материалов с целью создания библиотеки гомогенно легированных биметаллических наночастиц.Согласно бинарным фазовым диаграммам ( 15 ), Cu термодинамически смешивается с металлами, такими как Pd, Zn и т. Д., Но не смешивается с другими металлами, такими как Ag, Ni, Sn, In и т. Д., В составе Cu _{. 0,9} X _0,1 при комнатной температуре (указано на рис. 1). За исключением этих легко смешиваемых систем, Cu не сплавляется с большинством металлов с помощью традиционных методов биметаллического синтеза, а образует различные сегрегированные по фазе структуры, как показано на рис. 1 ( 16 ). Например, поскольку Cu и Ag не смешиваются почти во всех соотношениях при комнатной температуре, за исключением нескольких сообщенных частично легированных биметаллических соединений Cu-Ag ( 5 , 17 , 18 ), биметаллические соединения Cu-Ag обычно разделены по фазам. как ядро-оболочка, полумесяц или другие гетероструктуры, а не однородно смешанные ( 19 — 21 ).

Рис. 1 Синтез биметаллических наночастиц традиционными и неравновесными методами.

С помощью обычных методов биметаллического синтеза только легко смешивающиеся металлы (показаны зеленым) могут смешиваться с Cu, в то время как другие (показаны красным) образуют структуры с разделенными фазами (например, ядро-оболочка). Напротив, посредством неравновесного синтеза Cu и другие металлы (X) могут быть кинетически захвачены гомогенно смешанными наночастицами, независимо от их термодинамической смешиваемости. Смешиваемость Cu и X, указанная на левой панели, изображена в соответствии с бинарными фазовыми диаграммами с составом Cu _0.9 X _0,1 ( 15 ).

Тем не менее, неравновесный синтез позволяет нам свободно смешивать Cu почти со всеми обычными металлами в гомогенные биметаллические наночастицы без ограничений. Затем мы используем набор биметаллических наночастиц Cu-X для проверки новых катализаторов электрохимического восстановления монооксида углерода (COR) и изучения роли вторичных металлов. Среди различных биметаллических соединений Cu-X, Cu-Ag и Cu-Ni, которые имеют разрывы смешиваемости на их объемных фазовых диаграммах, но гомогенно перемешиваются в результате этого неравновесного синтеза, демонстрируют исключительно высокую фарадеевскую эффективность (FE) мультикаглерода (C ₂₊ ). продукты при высоких плотностях тока по сравнению с чистой Cu.Этот неравновесный синтез позволяет нам создать библиотеку легированных биметаллических частиц, которая не только обеспечивает идеальную платформу для изучения роли вторичных металлов в представляющих интерес реакций, но также дает доступ к ряду новых биметаллических материалов, которые невозможно синтезировать обычными методами.

РЕЗУЛЬТАТЫ

При типичном неравновесном синтезе биметаллических наночастиц Cu-Ag мы диспергировали прекурсоры двух металлов [Cu (NO ₃ ) ₂ и AgNO ₃ ] на углеродной подложке [e.g. углеродные нановолокна (УНВ), которые имеют значительное количество поверхностных дефектов и функциональных групп] и обрабатывают материал ультракоротким импульсом тока (более подробную информацию см. в разделе «Материалы и методы») (рис. S1). Нагрев углеродной подложки, создаваемый импульсом тока, вызывает быстрый тепловой удар> 1300 ° C, который длится всего 0,2 с, быстро гаснет до комнатной температуры после прекращения подачи тока (рис. 2A). Предшественники металлов быстро разлагаются во время высокотемпературного удара и образуют атомы Cu и Ag, смешанные вместе, за счет энтропии их смешения при высокой температуре.Из-за малой продолжительности теплового удара (~ 0,2 с) атомы Cu и Ag не могут диффундировать на большое расстояние с образованием полностью термодинамически уравновешенной фазы, а вместо этого кинетически захватываются поверхностными дефектами и функциональными группами углеродной подложки, образуя однородные биметаллические наночастицы. Мы наблюдали однородность морфологии и размера полученных биметаллических наночастиц Cu-Ag (Cu _0,9 Ag _0,1 ) с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM) и просвечивающей электронной микроскопии (TEM) (рис. 2, Б — Г). Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия (EDS) в сочетании с SEM (рис. S1) подтверждает наличие Cu и Ag в наночастицах, показывая согласованный состав, как и было задумано. Содержание металла в биметаллическом элементе Cu-Ag на подложке составляет 17 мас.% (Мас.%) На основе термогравиметрического анализа (рис. S2). Измерение ПЭМ показывает, что наночастицы Cu _0,9 Ag _0,1 имеют средний диаметр 16,7 нм с очень узким распределением по размерам (рис. 2E). Напротив, Cu _0.9 Ag _0,1 Наночастицы, полученные из тех же прекурсоров, но с помощью обычного термического отжига в печи (1000 ° C в потоке аргона в течение 1 часа), показывают гораздо больший размер частиц (рис. S3). Другой уникальной особенностью высокотемпературного ударного синтеза является то, что полученные наночастицы не содержат поверхностно-активных веществ или других остатков на поверхности, что имеет решающее значение для фундаментальных исследований гетерогенного катализа.

Рис. 2 Неравновесный синтез биметаллических наночастиц на основе меди.

( A ) Изменение температуры в процессе быстрого теплового удара. Врезка: тепловизионное изображение подложки через 0,1 с во время высокотемпературного удара. ( B и C ) СЭМ и ( D ) ПЭМ изображения наночастиц Cu _0,9 Ag _0,1 на УНВ. ( E ) Распределение диаметров частиц наночастиц Cu _0,9 Ag _0,1 на ПЭМ-изображении. ( F ) STEM-изображение Cu _{0 в высоком разрешении.9} Ag _0,1 наночастиц, диспергированных на УНВ. Изображение HAADF-STEM и соответствующее элементное отображение EDS ( G ) Cu _0,9 Ag _0,1 , ( H ) Cu _0,9 Ni _0,1 , ( I ) Cu _0,9 Sn _0,1 , ( J ) Cu _0,9 In _0,1 и ( K ) Cu _0,9 Pd _0,1 . Масштабные линейки, 5 нм (от G до K).

Далее мы исследовали кристаллическую структуру Cu _{0. 9} Ag _0,1 наночастиц, синтезированных неравновесным методом. Сканирующая просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения (STEM; рис. 2F) показывает, что неравновесный биметаллический сплав Cu _0,9 Ag _0,1 имеет гранецентрированную кубическую (ГЦК) кристаллическую структуру, аналогичную монометаллической Cu и Ag, с шагом d ₍₁₁₁₎ 2,20 Å. Равный Z-контраст на STEM-изображении (рис. 2F) указывает на однородное случайное смешение атомов Cu и Ag без фазовой сегрегации в ядро-оболочку или другие гетероструктуры.Неравновесный синтезированный Cu _0,9 Ag _0,1 (термическим ударом) не показал сегрегированных фаз на профиле порошковой дифракции рентгеновских лучей (XRD) (рис. S4), тогда как равновесная структура Cu _0,9 Ag _0,1 (обычным термическим отжигом) показал заметную фазовую сегрегацию Cu и Ag. Фазовая сегрегация уравновешенной Cu _0,9 Ag _0,1 четко наблюдается на элементном картировании EDS (рис. S5), где Ag выделяется на поверхность.Однако в результате неравновесного синтеза атомы Cu и Ag в наночастицах Cu _0,9 Ag _0,1 равномерно распределяются по всей наночастице, что подтверждается элементным картированием EDS (рис. 2G и дополнительными картами EDS наночастиц на рис. S6). Сканирование линии EDS для различных наночастиц Cu _0,9 Ag _0,1 (рис. S7) дополнительно подтверждает равномерное распределение Cu и Ag в наночастицах, полученных неравновесным методом. Для исследования термической стабильности Cu _0.9 Ag _0,1 биметаллических наночастиц, мы выполнили in situ ПЭМ и линейное сканирование EDS с использованием нагревательного устройства in situ. Как показано на рис. S8, Cu и Ag оставались однородными при комнатной температуре, 250 ° C и 500 ° C. При нагревании частицы выше 750 ° C атомы Ag диффундировали к поверхности. Следовательно, гомогенное перемешивание биметаллических наночастиц путем кинетического захвата является термически стабильным до ~ 500 ° C. В дополнение к наночастицам Cu _0,9 Ag _0,1 , другим Cu _0.9 X _0,1 биметаллические соединения, такие как Cu _0,9 Ni _0,1 , Cu _0,9 Sn _0,1 , Cu _0,9 In _0,1 , Cu _0,9 Pd _0,1 и Cu _0,9 Zn _0,1 . В то время как Ni, Sn и In не смешиваются с Cu в исследованном составе (Cu _0,9 X _0,1 ), согласно их бинарным фазовым диаграммам ( 15 ) мы успешно получили однородную Cu _0,9 X _0.1 биметаллических наночастиц с использованием метода неравновесного синтеза (см. Изображения SEM и TEM на фиг. S9 – S13). Однородность полученных наночастиц Cu _0,9 X _0,1 подтверждается STEM-анализом в высокоугловом кольцевом темном поле (HAADF) и соответствующим распределением элементов Ni, Sn, In и Pd с использованием EDS (рис. От H до K). Легированные структуры биметаллического сплава Cu _0,9 X _0,1 дополнительно подтверждаются методом XRD (рис. S14). Модель Cu _0.9 X _0,1 наночастицы показали аналогичные дифракционные картины со стандартной Cu со сдвигом пиков по сравнению с чистой Cu из-за легирования Cu и X и изменения параметров решетки. На профилях XRD Cu _0,9 X _0,1 сегрегированная фаза вторичного металла не наблюдалась, что демонстрирует, что высокотемпературный ударный синтетический подход является мощным методом преодоления ограничения смешиваемости в биметаллических материалах. Соотношение между двумя составляющими элементами можно регулировать при синтезе высокотемпературного удара.Cu-Ag был выбран в качестве модельной системы (из-за его большой несмешиваемости) и трех различных составов биметаллических образцов Cu-Ag (т.е. Cu _0,9 Ag _0,1, Cu _0,8 Ag _0,2 и Cu _0,5 Ag _0,5 ). СЭМ- и ПЭМ-изображения Cu _0,9 Ag _0,1 , Cu _0,8 Ag _0,2 и Cu _0,5 Ag _0,5 (рис. 2, B — D и рис. S15 и S16) показывают одинаковый размер и морфология частиц во всех трех биметаллических соединениях Cu-Ag.Изображения STEM с высоким разрешением (рис. 3, A и B) подтверждают, что все три материала Cu-Ag имеют схожую кристаллическую структуру с ГЦК-решеткой. Расстояние d ₍₁₁₁₎ для сплавов Cu _{1- x} Ag _x ( x = 0,1, 0,2 и 0,5) составляет 2,20, 2,25 и 2,29 Å соответственно. между расстояниями d ₍₁₁₁₎ металлов Cu и Ag. Значения интервалов выше, чем предсказанные по закону Вегарда, но демонстрируют тенденцию к увеличению с увеличением содержания Ag в наночастицах сплава Cu _{1- x} Ag _x .Хотя все три биметаллических соединения Cu-Ag являются термодинамически несмешиваемыми (рис. 3C), получаются гомогенно легированные биметаллические наночастицы Cu-Ag (рис. 2G и 3, D и E), что свидетельствует о том, что атомное соотношение в биметаллических соединениях можно легко настроить в зависимости от неравновесный синтез.

Рис. 3 Биметаллические сплавы Cu-Ag различного состава.

Изображение STEM с высоким разрешением типичных наночастиц ( A ) Cu _0,8 Ag _0,2 и ( B ) Cu _0,5 Ag _0,5 .( C ) Объемная фазовая диаграмма Cu-Ag, на которой биметаллические соединения Cu _1-x Ag _x в этой работе попадают в зазор смешиваемости. Фазовая диаграмма Cu-Ag воспроизведена из ( 15 ). Авторское право 2010, ASM International. Изображения HAADF-STEM и элементное картирование EDS для наночастиц ( D ) Cu _0,8 Ag _0,2 и ( E ) Cu _0,5 Ag _0,5 . Масштабные линейки, 5 нм. Моделирование структуры наночастицы Cu _0,5 Ag _0,5 и статистический анализ усредненного состава ближайших соседей (NN), окружающих атомы Cu и Ag, после моделирования методом МД / МС при 25 ° C, в котором был проведен один пробный этап МС. предпринята попытка ( F ) каждые 1 фс для моделирования достаточной диффузии для термодинамического равновесия и ( G ) каждые 10 пс для моделирования ограниченной диффузии и кинетического захвата. Чтобы понять формирование однородно смешанных биметаллических наночастиц Cu-Ag, мы провели атомистическое моделирование, используя Cu _0,5 Ag _0,5 в качестве типичной несмешивающейся системы. Мы моделировали биметаллическую систему Cu _0,5 Ag _0,5 кубооктаэдрической наночастицей размером 5 нм, содержащей 4033 атома Cu ₂₀₁₇ Ag ₂₀₁₆ в ГЦК решетке. Отбор проб методом Монте-Карло (MC) при высокой температуре (1000 ° C) был выполнен для обнаружения состояния с низкой энергией. Исходя из атомно-дисперсных частиц, разложившихся из гомогенно смешанных предшественников нитрата металла, атомная конфигурация наночастицы после моделирования MC была закалена до комнатной температуры (рис.S17), без дальнего химического упорядочения, такого как фазовая сегрегация. Чтобы оценить стабильность наночастиц при комнатной температуре, мы дополнительно выполнили моделирование связанной молекулярной динамики (МД) / МС при 25 ° C (подробности см. В разделе «Материалы и методы»). Мы исследовали структуру смоделированной наночастицы Cu-Ag в различных условиях диффузии (предлагая один пробный шаг MC каждые n временных шагов MD), рассчитав усредненный состав узлов решетки первых ближайших соседей вокруг Cu и Ag (рис. .S18). В состоянии термодинамического равновесия (моделируется с n = 1 фс, достаточная диффузия) примерно 88% ближайших соседних атомов вокруг Cu являются атомами Cu, и, аналогично, Ag имеет более высокое сродство к атомам Ag (рис. 3F). , что указывает на фазовое расслоение Cu и Ag. Равновесная структура наночастиц Cu-Ag разделена по фазам (ядро Cu и структура оболочки Ag, как показано на вставке на рис. 3F), что хорошо согласуется с большинством известных наноструктур Cu-Ag, синтезированных равновесными методами ( 19 , 20 ).Напротив, при использовании неравновесного синтеза, описанного в этой работе, закаленная наночастица Cu-Ag была кинетически захвачена, что позволило ограничить диффузию ( n = 10 пс). В результате средняя вероятность соседних пар Cu-Cu, Ag-Ag и Cu-Ag приблизительно равна 0,5 (рис. 3G), что указывает на однородное смешение атомов Cu и Ag в Cu _0,5 Ag _0.5 биметаллическая наночастица. Таким образом, результаты нашего моделирования подтверждают, что неравновесный синтез может захватывать биметаллическую смесь в однородные наночастицы (рис.3G, вставка), которые стабильны при комнатной температуре из-за ограниченной диффузии. Синтезированные неравновесные биметаллические наночастицы Cu-X в дальнейшем исследуются в качестве электрокатализаторов для восстановления монооксида углерода (COR). Электрохимическое восстановление CO ₂ (CO ₂ R) или CO ₂ , производных от CO, особенно привлекательно для устойчивых химических производств, потому что при питании от возобновляемой электроэнергии весь процесс не выделяет парниковых газов CO ₂ (иногда даже с отрицательным выбросом CO ₂ ) ( 22 — 25 ). Хотя много усилий было направлено на разработку биметаллических катализаторов Cu-X для продуктов C ₂₊ в CO ₂ R / COR, полное понимание корреляции структура-свойство в значительной степени отсутствует из-за сильно гетерогенной природы Cu-X биметаллические наноматериалы (такие как ядро-оболочка и фазовая сегрегация). Здесь вновь синтезированные гомогенно легированные образцы Cu-X позволяют нам экранировать большой набор биметаллических материалов с различным составом, но с почти идентичной наноструктурой.Эксперименты COR проводились в 1 М гидроксиде калия (КОН) с использованием трехкамерного проточного электролизера (рис. S19) ( 25 ). Высокие плотности тока (> 100 мА · см ⁻² ) достигаются для всех биметаллических Cu _0,9 X _0,1 и чистых катализаторов Cu (рис. S20). Как показано на фиг. 4A, основными продуктами COR являются ацетат и этилен, а второстепенными продуктами являются пропанол, этанол и метан (см. Рисунки S21 и S22 и таблицы S1 и S2 для подробностей). По сравнению с чистой Cu, Cu _0.9 Ni _0,1 и Cu _0,9 Ag _0,1 демонстрируют заметно улучшенные продукты C ₂₊ и подавленные H ₂ FE, в то время как Cu _0,9 Sn _0,1 оказывает отрицательное влияние, а другие металлы оказывают минимальное влияние . Тенденция сохраняется в широком диапазоне приложенных потенциалов (рис. S23 и S24). В частности, Cu _0,9 Ni _0,1 показывает улучшение на ~ 20% в C ₂₊ FE, показывая самое высокое C ₂₊ FE ~ 76 и подавление ~ 40% в H ₂ FE по сравнению с этим Cu.Примечательно, что Cu _0,9 Ni _0,1 демонстрирует исключительно высокий максимальный FE ацетата ~ 47% с удельной плотностью тока ~ 93 мА · см ^-2 , что является одним из самых высоких значений, зарегистрированных на сегодняшний день для образования ацетата в COR в литературе (рис. 4B и таблица S3) ( 25 — 29 ).

Рис. 4 Экран биметаллического катализатора для COR.

( A ) FE чистой Cu и различных Cu _0,9 X _0,1 биметаллических катализаторов при -0,70 ± 0.01 В по сравнению с RHE. ( B ) Ацетатный FE и плотности тока биметаллических Cu-X и Cu катализаторов в этой работе по сравнению с современными катализаторами в COR в 1 M KOH / NaOH ( 25 — 29 ) . ( C ) FE биметаллических соединений Cu _1-x Ag _x с различным соотношением атомов и чистой Cu при -0,70 ± 0,01 В по сравнению с RHE. ( D ) Соотношение C ₂₊ / C ₁ FE и C ₂₊ FE биметаллических соединений Cu _1-x Ag _x с различным соотношением атомов и чистой Cu при -0.70 ± 0,01 В по сравнению с RHE. Чтобы сравнить собственные скорости реакции различных биметаллических соединений с чистой Cu, плотности тока были нормированы на электрохимически активную площадь поверхности (ECSA) (рис. S25 и S26). Мы отмечаем, что нормированная по ECSA активность биметаллических соединений в COR является консервативной оценкой, поскольку не все участки металла, как ожидается, будут активными. Тем не менее, собственные скорости реакции биметаллических катализаторов были либо сопоставимы, либо слегка увеличены, что указывает на промотирующую роль вторичных металлов в Cu.Кроме того, разделенные по фазе Cu _0,9 Ni _0,1 и Cu _0,9 Ag _0,1 , полученные посредством обычного термического отжига, были оценены в COR, чтобы проиллюстрировать влияние моделей смешения (рис. S27 и таблица S4). По сравнению с однородно смешанными сплавами, сегрегированные сплавы демонстрируют более высокое значение H ₂ и более низкое значение C ₂₊ FE (рис. S28 и S29). Металлы, такие как Ni и Ag, как отдельные металлы, являются плохими катализаторами в COR ( 30 ), и синергетический эффект на биметаллические соединения реализуется, когда взаимодействие между Cu и вторичным металлом максимизируется за счет гомогенного перемешивания.Чтобы исследовать происхождение улучшенных характеристик на однородных Cu _0,9 Ni _0,1 и Cu _0,9 Ag _0,1 , мы использовали in situ спектроскопию инфракрасного поглощения с усиленным поверхностным ослаблением полного отражения (ATR-SEIRAS). Сила адсорбции CO отражается на положении пика адсорбции CO ( 31 ), а исследование in situ ATR-SEIRAS при -0,4 В по сравнению с обратимым водородным электродом (RHE) показывает адсорбционную силу CO различных катализаторов в условиях Рабочее состояние COR (рис.S30). Спектры показывают смещение центра полосы адсорбированного CO от 2053 см ^-1 на Cu до гораздо более низких 2040 см ^-1 на Cu _0,9 Ni _0,1 . Сдвиг пика в сторону более низкого волнового числа указывает на усиление адсорбции CO на Cu _0,9 Ni _0,1 . Поскольку Ni имеет более сильную энергию связи CO, чем Cu, а модификация электронной структуры биметаллических катализаторов обычно связана со свойствами вторичного металла ( 32 ), включение Ni, вероятно, усиливает взаимодействие между адсорбатом и поверхностью катализатора.Напротив, Cu _0,9 Ag _0,1 демонстрирует центр полосы, аналогичный центру полосы Cu при 2052 см ^-1 , несмотря на аналогичные улучшенные характеристики. Хотя более сильная энергия связи CO может быть причиной улучшенных характеристик Cu _0,9 Ni _0,1 , необходимы дальнейшие исследования, чтобы определить причину повышения производительности Cu _0,9 Ag _0,1 в COR. Неравновесный синтез, который позволяет Свободное смешение несмешивающихся элементов в любом составе позволяет нам исследовать влияние состава несмешивающихся биметаллических соединений на катализ, которое не может быть достигнуто обычными методами.Например, Кенис и его сотрудники ( 5 ) и Белл и сотрудники ( 17 ) сообщили о повышенной селективности в отношении продуктов C ₂₊ в CO ₂ R с использованием сплавов Cu-Ag, синтезированных с помощью дуговой сварки и гальваническое замещение и электроосаждение соответственно. Однако из-за ограничений этих способов синтеза эти катализаторы были либо разделены по фазе, либо частично легированы, что оставляло понимание взаимосвязи состава и свойств неполным. Таким образом, мы исследовали влияние биметаллической композиции Cu-Ag на COR, чтобы восполнить этот пробел в знаниях (см. Рис.S31 и S32 и таблицы S1 и S5 для более подробной информации). Как показано на рис. 4C, продукты COR и FE H ₂ заметно различаются в зависимости от концентрации Ag. Суммарный COR FE увеличивается с уменьшением концентрации Ag от Cu _0,5 Ag _0,5 до Cu, за исключением Cu _0,9 Ag _0,1 , который показывает самый высокий C ₂₊ FE, в то время как противоположная тенденция наблюдается для H ₂ FE. Тенденция сохраняется в широком диапазоне приложенных потенциалов (рис.S33 и S34). Мы также сообщаем о нормированных ECSA плотностях тока (рис. S35 и S36), и собственные скорости реакции немного улучшаются для биметаллических соединений Cu-Ag, в то время как отношение продукта C ₂₊ к продукту C ₁ уменьшается с увеличением концентрации Для Ag наибольшее значение C ₂₊ FE было достигнуто на Cu _0,9 Ag _0,1 (рис. 4D). Как свидетельствует тенденция к увеличению CH ₄ FE с увеличением концентрации Ag (рис. S37), присутствие атомов Ag препятствует способности Cu димеризовать промежуточные соединения CO и способствует образованию CH ₄ .Это согласуется с предыдущим исследованием, предполагающим, что связывание C-C предпочтительнее на соседних сайтах Cu ( 33 ). Напротив, ожидается, что взаимодействие между Cu и Ag будет увеличиваться с увеличением концентрации Ag, что приведет к большей модификации свойств Cu. В совокупности эти результаты предполагают, что геометрические и электронные эффекты конкурируют друг с другом в биметаллических катализаторах Cu-Ag, и наилучшие характеристики достигаются с Cu _0,9 Ag _0,1 при оптимальном балансе.Мы предполагаем, что для разработки эффективных катализаторов для продуктов C ₂₊ жизненно важно включать оптимальное количество вторичного металла при сохранении соседних центров Cu. Выяснение взаимосвязи структура-свойства биметаллических соединений Cu-Ag в COR, которая отсутствовала из-за несмешиваемости биметаллических соединений Cu-Ag, стало возможным благодаря этому уникальному неравновесному методу синтеза.

Чтобы оценить стабильность неравновесных биметаллических катализаторов, мы провели эксперимент COR с постоянным током при 100 мА см ^-2 в течение 3 часов с использованием Cu _0.9 Ag _0,1 и Cu _0,9 Ni _0,1 в качестве катализаторов (рис. S38). FE и приложенные потенциалы были стабильными для обоих катализаторов в течение 3 часов. Структурную стабильность также исследовали с помощью изображений HAADF-STEM и соответствующего элементного картирования катализаторов EDS после испытания стабильности. Небольшая часть наночастиц Cu _0,9 Ag _0,1 становится сегрегированной по фазе с Ag на поверхности (из-за более низкой поверхностной энергии Ag), тогда как большая часть остается однородно перемешанной (рис.S39). Для Cu _0,9 Ni _0,1 не было признаков сегрегации фаз после COR (рис. S40). Хотя мы наблюдаем небольшое указание фазовой сегрегации на Cu _0,9 Ag _0,1 , эти результаты предполагают, что большая часть катализаторов Cu _0,9 Ag _0,1 и Cu _0,9 Ni _0,9 остается гомогенной в условиях реакции. .

Что такое биметаллический термометр? — Термометр для определения, работы, конструкции, спирали и спирали

Определение: В биметаллическом термометре используется биметаллическая полоса, которая преобразует температуру в механическое смещение.Работа биметаллической ленты зависит от свойства металла теплового расширения. Тепловое расширение — это тенденция металла, при которой объем металла изменяется с изменением температуры.

У каждого металла свой температурный коэффициент. Температурный коэффициент показывает связь между изменением физических размеров металла и температурой, которая его вызывает. Расширение или сжатие металла зависит от температурного коэффициента, т.е.е., при одной и той же температуре металлы по-разному изменяют физический размер.

Принцип работы биметаллического термометра

Принцип работы биметаллического термометра зависит от двух основных свойств металла.

1. Металл обладает свойством теплового расширения, то есть металл расширяется и сжимается в зависимости от температуры.
2. Температурный коэффициент у всех металлов неодинаков. Расширение или сжатие металлов различно при одной и той же температуре.

Конструкции биметаллического термометра

Биметаллическая полоса состоит из двух тонких полос из разных металлов. Металлы соединяются на одном конце с помощью сварки. Связь сохраняется таким образом, что между двумя металлами нет относительного движения. Физические размеры металлов зависят от температуры.

Так как биметаллическая полоса термометра изготовлена ​​из разных металлов.При этом длина металлов изменяется с разной скоростью. При повышении температуры полоса изгибается в сторону металла, имеющего низкотемпературный коэффициент. А при понижении температуры полоса изгибается в сторону металла, имеющего высокотемпературный коэффициент.

На рисунке ниже показана биметаллическая полоса в виде прямой консольной балки. Полоса закреплена на одном конце и прогибается на другом конце.

Диапазон прогиба биметаллической ленты зависит от типа металла, из которого изготовлена ​​конструкция. Прогиб металла прямо пропорционален длине полосы и изменению температуры и обратно пропорционален толщине полосы. Пусть понимает это с помощью математической формулы. Представьте, что биметаллическая полоса сделана из двух разных металлов: металла A и металла B. Оба металла имеют разный температурный коэффициент. T ₂ — T ₁ показывает изменение температуры, которое вызывает расширение струны.

Где, t — общая толщина полосы
n — отношение модулей упругости = E _B / E _A
м — отношение толщин
T ₂ — T ₁ — изменить по температуре
t _A , t _B — толщина металла A и металла B.
α _A , α _B — термический коэффициент расширения металла A и B.

Расширение заставляет полоску двигаться по равномерной дуге окружности.Радиус плеча определяется формулой, показанной ниже. Вышеприведенное уравнение показывает, что полоса изгибается в сторону металлов, которые имеют низкотемпературный коэффициент (при повышении температуры), и обратное произойдет при понижении температуры.

Для практического применения полоса изготавливается из металлов с одинаковыми модулями упругости и толщиной. Модули упругости показывают способность материала возвращаться в исходное положение или форму после снятия силы или нагрузки.

Считайте, что полоса закреплена на одном конце и может свободно двигаться на другом конце. При изменении температуры окружающей среды полоса изгибается по дуге окружности.

Считаем, что полоса изготовлена ​​из металла толщиной t / 2.

Итак, если один из металлов имеет очень маленький температурный коэффициент, то приведенное выше уравнение показывает, что если один конец металла зафиксирован, отклонение свободного конца металла показывает изменение температуры. Этот термометр не используется в промышленности из-за низкой чувствительности и небольшого отклонения.Чувствительность термометра увеличивается с увеличением длины полоски.

Виды биметаллической ленты

Линейная полоса показывает небольшой прогиб. Если длина полоски увеличивается, размер термометра также увеличивается. Чтобы сохранить размер термометра в разумных пределах, для изготовления термометра используется спираль или спиральная полоска.

Биметаллический термометр со спиральной полоской — В биметаллическом ленточном термометре используется спиральная полоска.Этот тип термометра используется для измерения температуры окружающей среды. Из-за способности металла к тепловому расширению деформация пружины происходит при изменении температуры. Стрелка и циферблаты прикреплены к пружине, которая показывает изменение температуры.

Биметаллическая полоса спирального типа — Биметаллическая полоса спирального типа в основном используется в промышленности. В этом термометре полоска спиральной формы используется для измерения температуры.Свободный конец полоски подсоединяется к указателю. Прогиб полосы показывает изменение температуры.

Преимущества

Термометр прост по конструкции, прочен и дешевле.

Недостатки

Термометр дает менее точный результат при измерении низкой температуры.

Применение биметаллического термометра

Биметаллический термометр используется в бытовых приборах, таких как духовки, кондиционеры, а также в промышленных приборах, таких как нефтеперерабатывающие заводы, горячая проволока, нагреватель, резервуары для темперирования и т. Д.для измерения температуры.

Биметалл: определение, свойства и применение

Многие бытовые, коммерческие и промышленные процессы используют термостатические биметаллы для электрических или механических приводов. Их можно найти во многих управляющих переключателях, таких как ранние термостаты, часы, автоматические выключатели и электрические приборы.

Что такое биметалл?

Биметалл или термостатический металл — это лист или полоса из двух или более композиционных материалов с разными коэффициентами линейного теплового расширения, соединенных клепкой, пайкой или сваркой. Материал с большим коэффициентом теплового расширения (КТР) считается активным компонентом, а материал с меньшим КТР — пассивным компонентом. Активный компонент обычно состоит из сплавов, содержащих в различных количествах железо, марганец, никель или хром. В то время как с пассивной стороны часто выбирают инвар, железо-никелевый сплав, содержащий 36% никеля. Некоторые биметаллы включают третий слой меди или никеля между активной и пассивной сторонами, чтобы увеличить теплопроводность и снизить удельное электрическое сопротивление материала [1, 2].

Свойства биметалла

Биметаллы работают со склонностью металлов расширяться при нагревании и сжиматься при охлаждении. Результирующее изменение кривизны или изгиба в ответ на изменение температуры является фундаментальным свойством всех термостатических биметаллов. Фактически изменение температуры преобразуется в механическое смещение. Поведение биметаллов предсказуемо и повторяемо. Компоненты, используемые для биметаллов, выбираются исходя из их температурных характеристик, а также их теплопроводности, стабильности, прочности, обрабатываемости и электрических свойств.

Гибкость

Основной характеристикой биметалла является гибкость, также известная как удельная кривизна. Это важное свойство биметалла, которое определяется изменением кривизны вдоль его продольной оси. Это выражается как [3]:

где,

F = гибкость (° F ^-1 ) (SI: ° C ^-1 ) *

R2, R1 = радиусы кривизны активной и пассивной сторон соответственно (дюймы) (SI: мм)

T = толщина полосы (дюйм) (SI: мм)

T2, T1 = температура (° F) (SI: ° C)

* Это просто представляет собой единицу СИ после математического преобразования из стандартной системы.Это нестандартная единица. Аналогично следует по всему тексту, если не указано иное. См. Обозначение ASTM B106 .

А для простой балки:

где,

L = расстояние между точками опоры (дюйм) (СИ: мм)

B = перемещение (дюймы) (СИ: мм)

Изображение 1: Схематическая диаграмма теста на гибкость. Получено по ссылке Ref.3

Радиус закругления

Кроме того, приведенное ниже уравнение показывает изгиб или радиус кривизны биметаллической полосы. Здесь мы можем увидеть факторы, влияющие на изгиб биметалла и его соотношение [3]:

где,

ρ = радиус кривизны полосы (дюйм) (СИ: мм)

α1 = коэффициент расширения первой полосы (° F ^-1 ) (SI: ° C ^-1 )

α2 = коэффициент расширения второй полосы (° F ^-1 ) (SI: ° C ^-1 )

T0, T1 = температуры (° F) (SI: ° C)

E1 = модуль упругости для первой полосы (фунт / кв. Дюйм) (СИ: Па)

E2 = модуль упругости для второй полосы (фунт / кв. Дюйм) (СИ: Па)

t1, t2 = толщина каждого компонента (дюймы) (СИ: мм)

t = толщина склеенной ленты (дюймы) (СИ: мм)

п = E1 / E2

м = t1 / t2

Это уравнение показывает, что термостатический изгиб биметалла прямо пропорционален изменению температуры составляющих полос и разнице КТР, и обратно пропорционален толщине комбинированных полос. На радиус кривизны также влияют соотношение толщины и соотношение модулей упругости двух полос.

Удельное электрическое сопротивление и теплопроводность

Для приложений, в которых тепло генерируется при пропускании электрического тока через биметалл, важно знать удельное электрическое сопротивление и теплопроводность как параметры изменения температуры. Это верно для многих биметаллов, которые используются в качестве выключателей.Для резистора приведенное ниже уравнение показывает, как можно определить повышение температуры [3]:

где,

ΔT = повышение температуры (° C)

I = ток (A)

ε = удельное электрическое сопротивление (мкОм)

θ = время (с)

c = удельная теплоемкость (Дж / г ° C), оцененная в 0,502 для всех биметаллов

d = плотность (г / см ³ )

w = ширина (мм)

t = общая толщина (мм)

Используя удобные коэффициенты пересчета, можно получить аналогичную формулу в английских единицах измерения.

Применение биметалла

Индикация температуры

Биметаллы

используются для индикации температуры, как в спиральных или спиральных стрелочных термометрах. Такие термометры помогают измерять температуру в офисах, холодильниках и даже на крыльях самолетов. Биметаллы этого типа обычно имеют толщину от 0,005 дюйма (0,127 мм) до 0,015 дюйма (0,381 мм), и катушка установлена ​​на шкале указателя, поскольку она создает достаточный крутящий момент для свободного перемещения указателя.Температурный диапазон, охватываемый биметаллами, составляет примерно от -50 ° F до 1000 ° F (от -46 ° C до 538 ° C). Скорость углового отклонения обычно составляет 2,5–3 ° на градус Фаренгейта [4].

Контроль температуры

Биметаллы используются как средство контроля температуры, например, в термостатах комнатной температуры. В таких устройствах биметаллический нож удерживает токопроводящую точку контакта, которая связана со связанной статической точкой контакта.