主族-稀土异金属簇嵌入的锑钨酸化合物及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种主族

【技术实现步骤摘要】
主族
‑
稀土异金属簇嵌入的锑钨酸化合物及其制备方法


[0001]本专利技术涉及质子传导材料和晶体材料领域，具体涉及一种主族
‑
稀土异金属簇嵌入的锑钨酸化合物、制备方法及应用。

技术介绍

[0002]煤炭、石油、天然气等常规不可再生资源在燃烧过程中会产生大量有害物质，造成严重的环境污染、温室效应等。燃料电池(Fuel Cell，FC)是一种具有发电效率高、环境污染少的电化学能量转换装置，将氢、氧、甲醇、天然气等燃料的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。质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其相对较低的工作温度和快速启动和关闭周期而成为便携式电子设备和发电站电力应用中最有前途的燃料电池之一。质子交换膜(Proton Exchange Membrane，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)。质子交换膜(PEM)应设计为具有高质子电导率(>10
‑2S cm
‑1)以促进质子扩散和良好的化学稳定性，以在不同的操作条件下保持其结构完整性。传统的Nafion膜因其成本高、工作温度低(低于80℃)而受到限制。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。
[0003]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(H3PMo
12
O
40
)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
‑2S
·
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。

技术实现思路

[0004]为解决上述问题，本专利技术提供了一种主族
‑
稀土异金属簇嵌入的锑钨酸化合物、制备方法及其应用。
[0005]本专利技术采用以下技术方案：
[0006]一种主族
‑
稀土异金属簇嵌入的锑钨酸化合物，该化合物分子式为H
13
(HIm)4K2Na4(H2O)
14
[Sb
III9
Sb
V
Ln3O
14
(H2O)3][(SbW9O
33
)3(PW9O
34
)]·
26H2O，Im＝Imidazole(咪唑基)，其结构特征为含有主族
‑
稀土异金属簇{Sb
10
Ln3O
14
(H2O)3}的四聚体锑钨酸盐，通过碱金属离子K
+
和Na
+
相互连接可形成具有一维孔道的三维框架结构，孔道中填充了大量质子化的咪唑阳离子和H3O
+
。
[0007]优选地，该化合物的晶胞参数为：
[0008]Ln
3+
为Sm
3+
、Eu
3+
、Gd
3+
、Tb
3+
或Dy
3+
离子；
[0009]该化合物属于单斜晶系，空间群为P21/c，对应空间群号为14，晶胞参数为：α＝γ＝90
°
,β＝101.168(2)
°
。
[0010]一种主族
‑
稀土异金属簇嵌入的锑钨酸化合物的制备方法，包括以下步骤：
[0011]合成三缺位锑钨酸盐前驱体Na9[B
‑
α
‑
SbW9O
33
]·
19.5H2O；
[0012]依次称取三缺位锑钨酸盐前驱体Na9[B
‑
α
‑
SbW9O
33
]·
19.5H2O、磷酸二氢钾、稀土硝酸盐、氯化钾、咪唑到聚四氟乙烯反应釜内，随后加入去离子水，并在常温下搅拌1h使原料混合均匀；
[0013]将聚四氟乙烯反应釜置于恒温烘箱中进行水热反应；
[0014]反应冷却至室温后，用去离子水进行清洗，真空干燥后得到0.5
‑
1.5mm黄色长条状晶体；
[0015]将得到的黄色长条状晶体在研钵中充分研磨，得到所述质子传导材料。
[0016]优选地，所述锑钨酸盐前驱体Na9[B
‑
α
‑
SbW9O
33
]·
19.5H2O、磷酸二氢钾、稀土硝酸盐、氯化钾、咪唑、去离子水的摩尔比为：2∶1∶2∶7∶2.5∶2778；所述稀土硝酸盐为Sm(NO3)3·
6H2O、Eu(NO3)3·
6H2O、Gd(NO3)3·
6H2O、Tb(NO3)3·
6H2O或Dy(NO3)3·
6H2O。
[0017]优选地，所述水解反应的反应温度为140℃，反应时间为3天。
[0018]一种主族
‑
稀土异金属簇嵌入的锑钨酸化合物的用途，该化合物用作质子传导材料，应用于燃料电池、电化学传感器、超级电容等领域。
[0019]采用上述技术方案后，本专利技术与
技术介绍
相比，具有如下优点：
[0020]本专利技术采用简单的水热处理工艺本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种主族
‑
稀土异金属簇嵌入的锑钨酸化合物，其特征在于：分子式为H
13
(HIm)4K2Na4(H2O)
14
[Sb
III9
Sb
V
Ln3O
14
(H2O)3][(SbW9O
33
)3(PW9O
34
)]
·
26H2O，Im＝Imidazole，其结构特征为含有主族
‑
稀土异金属簇{Sb
10
Ln3O
14
(H2O)3}的四聚体锑钨酸盐，通过碱金属离子K
+
和Na
+
相互连接可形成具有一维孔道的三维框架结构，孔道中填充了大量质子化的咪唑阳离子和H3O
+
。2.如权利要求1所述的一种主族
‑
稀土异金属簇嵌入的锑钨酸化合物，其特征在于：该化合物的晶胞参数为：Ln
3+
为Sm
3+
、Eu
3+
、Gd
3+
、Tb
3+
或Dy
3+
离子；该化合物属于单斜晶系，空间群为P21/c，对应空间群号为14，晶胞参数为：α＝γ＝90
°
,β＝101.168(2)
°
。3.一种主族
‑
稀土异金属簇嵌入的锑钨酸化合物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：合成三缺位锑钨酸盐前驱体Na9[B
‑
α
...

【专利技术属性】
技术研发人员：李新雄，肖慧萍，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：