[发明专利]一种具有高质子传导率的无机材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有高质子传导率的无机材料及其制备方法，其结构通式特征为：[Ni(H₂O)₆K₆(H₂O)₁₂][(GeW₁₂O₄₀)₂]·48H₂O。该传导材料为具有一维孔道的三维框架结构，属于立方晶系，空间群为Fm‑3m，对应空间群号为225，晶胞参数为：a=b=c=22.1457(13)(Å),α=β=γ=90°。本发明的传导材料的质子传导率在85℃，98%湿度下可达到10^‑1S·cm^‑1量级，与传统的Nafion膜的质子传导率相当；且结晶度高，单晶体尺寸达数毫米级别，稳定性好，传导效率高，且具有合成工艺简单，产率高等优点，可应用于燃料电池、电化学传感器、超级电容等领域。

技术领域

本发明涉及一种具有高质子传导率的无机材料及其制备方法，属于燃料电池领域的材料合成技术领域。

背景技术

燃料电池（Fuel Cell，FC）是一种具有发电效率高、环境污染少的电池，将燃料中化学能直接转化为电能的电池技术，又称电化学发电器，其以优异的性能以及对环境友好等特性被称为是第四代发电技术。燃料电池的主要构成组件为：电极、电解质隔膜与集电器等，其原理是一种电化学装置，即原电池工作原理，等温的把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，因而实际过程是氧化还原反应。质子交换膜（Proton ExchangeMembrane，PEM）作为质子交换膜燃料电池（PEMFC）中非常重要一个组成部分，起到了质子迁移和运输的关键作用, 其材料性能将直接影响燃料电池的应用性能和使用寿命（工作原理图如图1所示）。因此，研究开发高性能的质子传导材料对燃料电池性能的提高具有极其重要的意义。用作PEM上的质子传导材料应该满足以下基本条件：(1) 具有良好的质子导电率; (2) 材料稳定性高；(3) 制备成本低，价格适当；(4) 制备工艺简单，产率高等。目前为止，一些优良的质子导体材料已经被报道, 如: 高分子聚合物质子导体材料、金属有机框架质子导体材料、碳基材料质子导体材料和无机材料质子导体材料等。

多金属氧酸盐（Polyoxometalates, POMs）简称多酸，通常是指由V、Nb、Ta、Mo和W等高价过渡金属的的无机氧酸盐经过缩聚脱水形成多核金属簇状结构，其结构类型丰富，尺寸与电荷具有可修饰性和可调变性，具有较强的电子和质子转移/存储能力，优异的氧化还原性能，且稳定性好。历经近两百多年的发展，多酸丰富的结构类型及其在磁性、光学、催化及电化学等方面应用研究使得其一直是无机化学中一个重要领域，并且成为一类具有广泛应用的无机材料。早在20世纪80年代，人们就发现了一些无机多酸材料的质子导体行为。最早将多酸引入燃料电池领域的是Nakamura等人，1979年他们在《Chemistry Letters》杂志上发表了一篇关于多酸在燃料电池中应用的文章，他们将经典的磷钼酸（H₃PMo₁₂O₄₀）作为固体电解质材料应用于氢氧燃料电池中，表现出良好的质子传导性能，但其良好的水溶性导致其比表面积严重降低，性能也随之降低。之后对于多酸类质子传导材料的探索引起了广大科学研究者的关注，希望合成出质子传导率高，稳定性好，且制备简易，成本低的多酸质子传导材料。然而现有的多酸的质子传导率都未超过10^-2 S·cm^-1，且大多数多酸材料的水稳定性都不是很好，这就限制其在实际应用的可能性。

发明内容