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对于含变价元素的物质体系,氧逸度是体系的基本物理化学参数之一。由于地球内部变价元素和水的广泛存在,因此高压水热体系中氧逸度的原位控制在地球物质体系的高温高压实验模拟中具有极为重要的意义。
本论文工作利用YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)固体电解质在高温下的氧传输特性,成功地在高压釜上首次实现了对高压水热体系中氧逸度的原位控制。在本工作中,氧逸度的原位控制系统主要由安装在水热高压釜上的氧泵和氧传感器探头两个核心组件以及外电路上的高精度数字万用表和精密可调的恒压/恒流电源组成。其中,氧泵被安装在圆筒状高压釜一端的釜塞中,由“流动空气｜Pt｜YSZ｜Pt｜水热样品”构成；氧传感探头被安装在圆筒状高压釜的另一端釜塞中,由“固体参考氧缓冲剂Ni-NiO｜ Pt｜YSZ｜ Pt｜水热样品”构成。根据固体离子学原理,若在氧泵两Pt电极间施加一直流电压,水热样品中的氧在电化学势的驱动下将经由YSZ被迫泵出进入流动空气中,或流动空气中的氧在电化学势的驱动下经由YSZ被迫泵入水热样品中,氧的输运方向将取决于两Pt电极间外加电压的极性和大小；同时,通过在泵氧过程中原位测量氧传感探头两Pt电极间直流电压的大小,可原位监测水热样品在泵氧过程中的氧逸度变化,从而最终可达到原位控制水热样品氧逸度的目的。
本工作的实验结果表明:(1)在氧泵启动后,氧传感探头两Pt电极间的电压有快速的响应,反映水热样品的氧逸度在氧泵的工作下发生了快速的改变；(2)氧泵启动后水热样品的氧逸度变化趋势与理论预测完全一致；(3)氧逸度常用对数的改变值与通过YSZ电荷总量呈正相关关系。由此说明,迄今仅用于高温干体系中的氧泵在高压水热体系中具有同样的泵氧功能。为提高氧泵在高压水热体系中的工作效率,本工作进一步研究了氧泵的制作工艺(包括氧库特征、YSZ构件的烧制工艺与厚度、YSZ/Pt电极的制作方法与表面积等)和外加电源的工作参数与氧传输速率的关系,该研究结果可为本技术在未来的实际应用提供重要的科学依据。