加入穩定劑的氧化鋯為何有良好的導電性

       純氧化鋯（ZrO2）不導電，摻雜一定比例的低價(jià)金屬物作為穩定劑，如氧化鈣（CaO2）、氧化鎂（MgO）、氧化釔（Y2O3），就具有高溫導電性，成為氧化鋯固體電解質(zhì)。

       為什么加入穩定劑后，氧化鋯就會(huì )具有很高的離子導電性呢？

       這是因為，摻有少量CaO2 的ZrO2混合物，在結晶過(guò)程中，鈣離子進(jìn)入立方晶體中，置換了鋯離子。由于鋯離子是+4價(jià)，而鈣離子是+2價(jià)，一個(gè)鈣離子進(jìn)入晶體，只帶入了一個(gè)氧離子，而被置換出來(lái)的鋯離子帶出了兩個(gè)氧離子，結果，在晶體中便留下了一個(gè)氧離子空穴。例如：（ZrO2）0.85 （CaO2）0.15這樣的氧化鋯（氧化鋯的摩爾分數為85%、氧化鈣的摩爾分數是15%），則具有7。5%的摩爾分數的氧離子空穴，是成了一種良好的氧離子固體電解質(zhì)。

       在一個(gè)高致密的氧化鋯固體電解質(zhì)的兩側，用燒結的方法制成幾微米到幾十微米厚的多孔鉑層作為電極，再在電極上焊上鉑絲作為引線(xiàn)，就構成了氧濃差電池，如果電池左側通入參比氣體（空氣），其氧分壓為p0；電池右側通入被測氣體，其氧分壓為p1（未知）。

       設p0 > p1，在高溫下（650…850℃），氧就會(huì )從分壓大的p0一側向分壓小的p1側擴散，這種擴散，不是氧分子透過(guò)氧化鋯從P0側到P1側，而是氧分子離解成氧離子后，通過(guò)氧化鋯的過(guò)程。

       在750℃左右的高溫中，在鉑電極的催化作用下，在電池的P0側發(fā)生還原反應，一個(gè)氧分子從鉑電極取得4個(gè)電子，變成兩個(gè)氧離子（O2-）進(jìn)入電解質(zhì)，即：O2（P0）+ 4e →2O2-P0側鉑電極由于大量給出電子而帶正電，成為氧濃差電池的正極或陽(yáng)極。這些氧離子進(jìn)入電解質(zhì)后，通過(guò)晶體中的空穴向前運動(dòng)到達右側的鉑電極，在電池的P1側發(fā)生氧化反應，氧離子在鉑電極上釋放電子并結合成氧分子析出，即：2O2- - 4e →O2（P1），P1側鉑電極由于大量得到電子而帶負電，成為氧濃差電池的負極或陰極。

       這樣在兩個(gè)電極上，由于正負電荷的堆積而形成一個(gè)電勢，稱(chēng)之為氧濃差電動(dòng)勢。當用導線(xiàn)將兩個(gè)電極連成電路時(shí)，負極上的電子就會(huì )通過(guò)外電路流到正極，再供給氧分子形成離子，電路中就有電流通過(guò)。氧濃差電動(dòng)勢的大小，與氧化鋯固體電解質(zhì)兩側氣體中的氧濃度有關(guān)。