[发明专利]离子导电型物质渗透性复合材料、其制备方法以及该复合材料的应用

说明书

技术领域

本发明涉及具有离子导电特性的物质渗透性复合材料。

背景技术

在现有技术中，离子导电性材料在技术中广为应用并用于各种用途。特别要提及在电渗析中用作阴离子交换膜或阳离子交换膜，也可在电解槽(Elektrolysezell)或膜电解槽中用作隔膜以及在全蒸发模块中用作膜。其它应用领域是用燃料电池获取能量领域。但也可用于在离子导电材料上进行的或由其催化的电化学或催化反应中。

为此应用目前主要是使用带离子基团的聚合物材料。这里尤其提及改性的聚砜、聚醚砜、聚苯乙烯和改性的聚偏-1，1-二氟乙烯或聚四氟乙烯。这些材料对大部分应用其效能是完全足够的。但这些聚合物在其使用温度范围上是受限的。从约120℃开始会发生材料软化或该材料不再有足够的膨胀能力，以确保优良的离子导电性。

无机材料如沸石或其它铝硅酸盐虽有较好的温度稳定性，但在酸性介质中常是不够稳定的，在运行中会发生该材料的缓慢分解。因此其应用领域仅用于有限的应用领域，如在硫化钠-硫-电池(能量存储)或某些电解装置中。

PCT/EP98/05939中描述了物质渗透性复合材料和其制备方法。该物质渗透性复合材料的特征为高的温度稳定性，但不具有离子导电性。

发明内容

本发明的目的是提供甚至在高达250℃的温度还具有优良离子导电性的材料，同时该材料对较高酸浓度不敏感。

令人意外地发现，基于至少一种有通孔的物质渗透性载体的物质渗透性复合材料在保持其优良的温度稳定性和对酸稳定的条件下还可具有离子导电特性，该复合材料在载体的至少一面上或在载体内含至少一种无机组分，该无机组分主要含至少一种来自至少一种第3～7主族元素的金属、半金属或混合金属的化合物。

因此本发明的主题是基于至少一种有通孔的物质渗透性载体的物质渗透性复合材料，该复合材料在载体的至少一面上或在载体内含至少一种无机组分，该无机组分主要含至少一种来自至少一种第3～7主族元素的金属、半金属或混合金属的化合物，其特征在于，该复合材料具有离子导电特性。

本发明的主题还在于用于制备基于至少一种有通孔的物质渗透性载体的复合材料的方法，该复合材料在载体的至少一面上或在载体内含至少一种无机组分，该无机组分主要含至少一种来自金属、半金属或含至少一种第3～7主族元素的混合金属的化合物，其特征在于，制备具有离子导电特性的复合材料。

本发明的主题还在于权利要求1～20至少之一的复合材料在酸性或碱性催化反应中作为催化剂的应用。

本发明的离子导电性复合材料的特征在于优良的离子导电特性。与通常所设想的，即优良的离子导电性材料必须是无孔的相反，已经发现优良的离子导电性材料不一定是绝对无孔的，而是该孔大小必须小于某限值。如果该孔表面具有离子基团，则会发生呈表面扩散机理的离子导电。在相当高的孔隙度条件下，该离子迁移的机理导致通过材料的高离子流，以致电流密度可达到超过50mA/cm²。

对电渗析中膜的使用或燃料电池中作为质子导电膜的使用，不仅需优良的导电性还需尽可能高的渗透选择性。本发明的复合材料能很好满足该前提。作为膜材料使用的本发明的离子导电性复合材料的渗透选择性依所用材料为0.75～0.98。

下面示例性地描述本发明的复合材料，但不受限于此。

本发明的基于至少一种有通孔的物质渗透性载体的物质渗透性复合材料具有离子导电性，该复合材料在载体的至少一面上或在载体内含至少一种无机组分，该无机组分主要含至少一种来自至少一种第3～7主族元素的金属、半金属或混合金属的化合物。本发明中载体的内部意指载体中的空腔和孔。

根据本发明，有通孔和物质渗透性的载体的空隙大小为0.02-500μm。该空隙可以是孔、网孔、穴、晶格空隙或空腔。该载体可含至少一种材料，该材料选自碳、金属、合金、玻璃、陶瓷、矿物质、塑料、无定形物质、天然产物、复合物质或这些材料的至少一种组合。该可含所述材料的载体可通过化学的、热的或机械的处理方法或这些处理方法的组合来改性。优选是该复合材料具有含至少一种金属、天然纤维或塑料的载体，该载体按至少一种机械成型技术或处理方法如拉、镦、挤压、辗压、拉伸或锻造改性。非常特别优选的是该复合材料具有至少一种载体，其含至少经织造、粘结、缠结或陶瓷结合的纤维或含至少经烧结或粘结的模制体、球或颗粒。在另一优选实施方案中可应用穿孔的载体。物质渗透性载体也可以是经激光处理或离子辐射处理而变成或使其成物质渗透性。