[发明专利]无机质子导体及其制备方法

说明书

技术领域

本公开内容涉及无机质子导体以及其制备方法。

背景技术

燃料电池根据其中使用的电解质和燃料类型进行分类，并且可分为聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、以及固体氧化物燃料电池(SOFC)。此外，燃料电池的运行温度以及各部件的材料根据其中使用的电解质的类型而变化。

SOFC在约800～约1000℃的高温下运行，并且已知其适合用于分散式电源。特别是，SOFC具有高的电效率并且可使用多种燃料运行，所述燃料包括较低纯度的气态燃料。然而，由于高温运行，因此，在高温环境中保持SOFC的耐久性是昂贵的，并且快速开-关性能是不可能的。在此意义上，SOFC不适合用于多种应用，例如便携式电源和汽车。因此，已经积极进行了对在低温下运行SOFC的研究。

在PEMFC中，电解质膜为需要润湿的聚合物膜，并且因此在100℃或更高的温度下，这种燃料电池的电导率显著下降。此外，为了保持润湿条件，PEMFC包括应根据运行条件小心控制的润湿器。

如上所述，随着已经积极进行对在高温下运行PEMFC和在低温下运行SOFC的研究，能够在约150～约400℃的温度下运行的燃料电池已经引起了许多关注。然而，在该温度范围内具有离子电导率的电解质是未知的。

发明内容

提供具有优异的质子电导率的无机质子导体以及其制备方法。

根据本发明的一个方面，提供由下式1表示的无机质子导体：

<式1>

M_1-aN_aP₂O₇。

在式1中，M包括四价金属元素或四价类金属元素，N包括碱金属，和“a”为0.01～0.7的数。

根据本发明的另一方面，由式1表示的无机质子导体的制备方法包括：向四价金属元素或四价类金属元素(M)前体、碱金属(N)前体和磷酸的混合物中加入溶剂以制备用于形成式1的无机质子导体的组合物；搅拌所述组合物；和热处理所得组合物。

本发明的另外方面和/或优点将在以下描述中部分地阐明，和将由该描述而显而易见，或者可通过本发明的实践而获知。

附图说明

本发明的这些和/或其它方面和优点将由结合附图考虑的实施方式的以下描述而变得明晰和更易理解，其中：

图1A为说明根据本发明实施方式的无机质子导体Sn_1-aLi_aP₂O₇的晶体结构的图；

图1B为用于说明根据本发明实施方式的图1A的晶体结构中质子浓度增加的原理的图；

图2为显示实施例1～6和对比例1中制备的无机质子导体的X-射线衍射分析结果的图；

图3为显示实施例1、7和8中制备的无机质子导体的X-射线衍射分析结果的图；

图4为显示实施例10和11中制备的无机质子导体的X-射线衍射分析结果的图；

图5为显示实施例1、3、4和5中制备的无机质子导体以及对比例1中制备的SnP₂O₇的电导率随温度变化的图；和

图6为显示实施例1以及对比例1和2中制备的无机质子导体的导电性能的图。

具体实施方式

现在将具体介绍本发明的示例性实施方式，其实例示于附图中，其中相同的附图标记始终表示相同的元件。以下通过参照附图描述示例性实施方式以解释本发明的各方面。

根据本发明的示例性实施方式，提供由下式1表示的无机质子导体：

<式1>

M_1-aN_aP₂O₇。

在式1中，M为四价金属元素或四价类金属元素，N为碱金属，和a为0.01～0.7的数。M为形成四价阳离子的金属元素或类金属元素，并且可例如为选自以下的一种：锡(Sn)、锆(Zr)、钨(W)、硅(Si)、钼(Mo)、和钛(Ti)。N可为选自以下的一种：锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、和铯(Cs)。

式1的无机质子导体具有其中M在形成四价阳离子时被碱金属N部分地取代的结构。在式1中，a为0.05～0.5的数，例如0.1～0.4的数。根据一些方面，M可为Sn，且N可为Li。因此，例如，式1可表示为Sn_1-aLi_aP₂O₇。