[发明专利]中高温质子导体材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种材料技术领域的质子导体材料及其制备方法，具体是一种在200℃以上的中高温质子导体材料及其制备方法。

背景技术

固态质子传导材料可作为燃料电池电、化学传感器、以及超级电容等的电解质材料而应用，因而受到人们的关注。质子传导聚合物电解质，主要是Nafion膜，具有较高的质子传导率和一定的化学、机械稳定性，广泛应用于低温燃料电池。然而，Nafion膜价格昂贵、热稳定性有限；高温使用时，会引起嫁接的功能团损失；由于是高氟聚合物，材料的循环利用和废弃处理困难，带来环境负担。质子传导无机玻璃和陶瓷材料，制备工艺简单、成本低，高低温都有较好的操作性能，因此有望成为聚合物电解质膜的替代品。

采用溶胶-凝胶方法，可以制备具有质子传导性质的多孔玻璃和多孔陶瓷材料，其质子传导机理是，质子从孔表面羟基分离，与吸附的水形成团簇离子，通过在羟基和水分子之间跳跃，进行质子传导。与Nafion膜相比，多孔玻璃、多孔陶瓷的的质子传导率通常较低，这是制约其应用的一个关键技术难题。

经对现有技术文献检索发现，Daiko等人在《Microporous & Mesoporous Materiels》(微孔介孔材料2004年第69期第149页)上发表“Pore size effect on proton transfer insol-gel porous silica”(在溶胶-凝胶多孔二氧化硅中质子传导的孔尺寸影响)，报道了400度烧结处理的二氧化硅玻璃，在50℃、相对湿度80％时，质子传导率为2×10^-3S·cm^-1；F.M.Colomer等人在《Electrochemical & Solid-State Letters》(电化学固态快报)(1999年第2期第313页)上发表“Nanopore ceramic membranes as novel electrolytes for protonexchange membranes”(作为应用于质子交换膜的新电解质的纳米孔陶瓷膜)，该文献公开了400度烧结处理的TiO₂和A₂O₃陶瓷膜在80℃、湿度81％及92℃、湿度81％条件下，质子传导率分别为3.9×10^-3S·cm^-1和2×10^-3S·cm^-1。玻璃、陶瓷中添加含磷成分，引入POH基团，能够促进质子传导。这是因为，与SiOH、TiOH、AlOH等基团相比，POH功能基团更倾向于离子特征，孔壁表面具有更高酸性，使得质子更易从羟基基团脱离并迁移，从而提高质子传导率。

经检索又发现，Nogami等人在《Advanced Materials》(先进材料)(2000年第12第1370页)上发表“A sol-gel-derived class as a fuel cell electrolyte”(作为燃料电池电解质的溶胶-凝胶制备的玻璃)，报道了700度烧结处理的P₂O₅-SiO₂玻璃在50℃和湿度70％时，电导率是2.2×10^-2S·cm^-1。此外，Yamada等人在《Journal of the American Chemical Society》(美国化学协会志)上发表“A self-ordered，crystalline glass，mesoporous nanocompositewith high proton conductivity of 2x10^-2S cm^-1 at intermediate temperature”(在中温拥有2x10^-2S cm^-1高质子传导率的自规则结晶玻璃的介孔纳米合成物)(2005年第127期第13092页)，公开了P₂O₅-TiO₂陶瓷在160℃、100％湿度时电导率为1.6×10^-2S·cm^-1。以上文献中，公开的玻璃和陶瓷的高质子传导率均需要较高的相对湿度。因此，其使用温度和湿度控制均受到限制，进而影响其在燃料电池中的应用。

发明内容