溶胶凝胶法制备复合材料

1、用用Sol-gelSol-gel技术制备技术制备NHNH4 4POPO3 3-SiO-SiO2 2复合电解质材料以其导电性能复合电解质材料以其导电性能研究研究制备NH4PO3-SiO2复合电解质材料复合电解质材料2Sol-gel技术1NH4PO3-SiO2复合电解质在中温燃料电池中的应用复合电解质在中温燃料电池中的应用 4NH4PO3-SiO2复合电解质材料的导电性能分析复合电解质材料的导电性能分析 3此技术的不足与展望此技术的不足与展望 5一、Sol-gel技术 溶胶凝胶(sol-gel)法是一种制备超细粉末的一种湿化学法，它是以液体的化学试剂配制成金属有机或无机化合物或者是金属醇盐前驱物，

2、前驱物溶于溶剂中形成均匀的溶液，溶质与溶剂产生水解或是醇解反应，反应生成物在液相下均匀混合，均匀反应，生成稳定且无沉淀的溶胶体系，放置一段时间后或是干燥处理溶胶之后转变为凝胶，在凝胶中通常含有大量的液相物质，需要利用萃取或蒸发除去液体介质，并在远低于传统的烧结温度下热处理，最后形成相应物质化合物粉体,利用溶胶凝胶法还可以制备其他形态的材料包括单晶、纤维、图层、薄膜材料等。1.1 Sol-gel技术的概述技术的概述前驱物溶液水解溶液凝 胶络合物溶胶细密荷电颗粒溶胶化学添加剂络合剂水催化剂聚合调节pH值， 添加电解质， 溶剂蒸发低压蒸发1.2 溶胶溶胶-凝胶合成的工艺方法凝胶合成的工艺方法v按溶胶

3、、凝胶的形成方式可分为传统胶体法、水解聚合法和络合物法三种. .v 水解聚合法是以可溶于醇的金属醇盐作为前驱物，其溶胶-凝胶过程易于控制，多组分体系凝胶及后续产品从理论上讲相当均匀，且易于从溶胶、凝胶出发制成各种形式的材料，所以自Sol-Gel法问世以来，其研究、应用主要集中于这种工艺方法。 v 早期采用传统胶体法成功地制备出核燃料，该法制备粉体方面表现出了一定优势。v 将金属离子转化为络合物，使之成为可溶性产物，然后经过络合物溶胶-凝胶过程形成凝胶。起初是采用柠檬酸作为络合剂，但它只适合部分金属离子。现在采用单元羧酸和有机胺作为络合剂，可形成相当稳定而又均匀透明的凝胶。方法特 点前驱物凝胶的

4、化学特征适用传统胶体法通过调节pH值或加入电解质来中和颗粒表现电荷，通过溶剂蒸发促使颗粒形成凝胶无机化合物1凝胶网络由浓稠颗粒通过范德化力建立粉体薄膜2凝胶中固相成分含量高3凝胶强度低，通常不透明水解聚合法通常前驱物的水解和聚合形成溶胶和凝胶金属醇盐1凝胶网络由前驱物产生的无机聚合物建立薄膜块体纤维粉体2凝胶与溶胶体积相当3可由时间参数清楚地反映凝胶的形成过程4凝胶是透明的方法特 点前驱物凝胶的化学特征适用络合物法由络合反应形成具有较大或复杂配体的络合物金属醇盐、硝酸盐或乙酸盐1凝胶网络由络合物通过氢键建立粉体薄膜纤维2凝胶在水中能液化3凝胶是透明的v水解聚合法的工艺原理1.3 基本基本的制备

5、过程的制备过程 均相溶液的制备溶胶的制备凝胶化过程凝胶的干燥干凝胶的热处理二、制备二、制备NH4PO3-SiO2复合电解质材料复合电解质材料2.1 SiO2溶胶的制备溶胶的制备Si(OCH3)4+4H2OH3PO4Si(OH)4+4CH3OH水解反应如下：缩聚反应如下：Si(OH)4+Si(OH)4Si OSi+ 4H2OSi(OH)4+Si(OCH3)4Si OSi+ 4CH3OH2.2 制备制备NH4PO3-SiO2凝胶凝胶NH4PO3的分类型NH4PO3 型NH4PO3 聚合度更高 取一部分硅溶胶分别与型和型NH4PO3混合，NH4PO3与SiO2物质的量比为1:1、2:1和4:1，并用

6、0.1mol/L的氨水调节pH值为78，搅拌直到形成NH4PO3-SiO2凝胶。v凝胶是由细小颗粒聚集而成的由三维结构和连续分散相介质组成的具有固体特征的胶态体系。2.3 NH4PO3-SiO2凝胶的干燥凝胶的干燥 将制备的凝胶在80干燥24h后，研磨成粉，以250MPa压力压制成直径为13mm，厚度为1.52mm的圆片。2.4 干凝胶的热处理干凝胶的热处理v 热处理的目的是消除干凝胶中的气孔，使制品的相组成和显微结构满足产品的性能要求。v 将圆片在氨气气氛下、300热处理10h。这就制备了NH4PO3-SiO2复合电解质材料。三、三、NHNH4 4POPO3 3-SiO-SiO2 2复合电解

7、质材料的导电性能分析复合电解质材料的导电性能分析3.1 复合电解质的稳定性复合电解质的稳定性v型NH4PO3结晶度比型NH4PO3好，并且没有发现NH4PO3与SiO2有明显的反应迹象，说明溶胶凝胶法制备过程中，NH4PO3化学稳定，没有与SiO2胶体发生反应，且该体系在氨气中300处理时，具有很好的化学稳定性。3.2 复合电解质的导电性能复合电解质的导电性能v复合电解质的电导率随NH4PO3含量的提高而提高。vNH4PO3含量越高，活化能越低，这些结果表明NH4PO3是电导率的主要贡献者。所以，在用Sol-gel法制备的复合电解质中，SiO2主要是起支撑作用。v在相同的条件下，型复合物的电导

8、率比型复合物的高出约1个数量级。v由于型的聚合度大于型，即长链的型NH4PO3比短链的型NH4PO3有更高的电导率和更低活化能，这间接表明了质子是沿着HPO3链完成传递的。3.3 水蒸气量对电导率的影响水蒸气量对电导率的影响v干氢气环境下的电导率比湿氢气环境的电导率约低了3个数量级。v电导率随着气氛水蒸气含量的增大而增大。但到一定程度时，电导率趋于定值。v表明在相对低的水蒸气含量下，水对电导率影响较大；而在相对高的水蒸气含量下，则影响较小。说明水分子直接参与了质子的传导。3.4 SiO2比表面积对电导率的影响比表面积对电导率的影响v数据显示电导率与SiO2比表面积大小无明显变化规律，数据波动可

9、能是测量误差造成的。支撑体SiO2的比表面积对电导率贡献不大，表明在这种复合电解质中，不存在电导率的界面增强效应。3.5 可能的传导机制可能的传导机制四、四、NH4PO3-SiO2复合电解质在中温燃料电池中的应用复合电解质在中温燃料电池中的应用v 燃料电池是一种直接将燃料气体的化学能转变成电能的电化学装置。与传统的热机相比，燃料电池具有能量转换效率高、环境污染小等优点。工作温度低于150的低温燃料电池如质子交换膜燃料电池和高于400的高温燃料电池如固体氧化物燃料电池受到广泛重视，而工作温度在150-400范围内的中温固态燃料电池的研究报道则较少。v 电解质作为燃料电池的关键材料是各种燃料电池研究的重点，而用溶胶凝胶法制备复合电解质，具有工艺和设备简单的特点，并且易实现制备多组元且掺杂均匀的材料。v 电池电极的制备v 电池性能的测试从图6可知：开路电压维持在0.65V，与理论值（1.16V）相比较偏低；温度越高，功率P也越大，可见，随着温度的升高，电极的催化能力越强;五、此技术的不足与展望五、此技术的不足与展望5.1 不足不足SiO2作为支撑体，增加了该电解质的化学稳定性和强度，但没有提高它的电导率；NH4PO3-SiO2复合电解质应用于中温燃料电池，是一种绿色能源技术，有很大的发展前景。但测的开路电压比理论值小很多，导致