1-丁基-3-甲基咪唑磷酸二氢盐离子液体与杂多酸的复合质子导体的制备及性能研究

摘要

杂多酸(HPA)以其良好的热稳定性及质子传导性成为目前应用最为广泛的无机质子导体之一。其中，磷钨酸(PWA)，热分解温度可达500℃，室温质子传导率可达10-1S/cm，由于杂多酸的质子传导率与结晶水的数量及周围环境湿度密切相关，且易溶于水，限制了杂多酸作为电解质在燃料电池中的应用。而离子液体由于其高稳定性和高的离子电导率等特殊性能，近年来被用于发展耐高温质子导体材料。
　　本文以N-甲基咪唑、氯代丁烷及纯磷酸为原料合成质子型离子液体1-丁基-3-甲基咪唑磷酸二氢盐([BMIM]H2PO4)，并通过机械研磨法制备了磷钨酸(PWA)和硅钨酸(SiWA)的系列质子导体PWA/[BMIM]H2PO4及SiWA/[BMIM]H2PO4。采用红外谱图以及X-射线衍射和热失重分析对其进行了结构和热稳定性的表征。杂多酸PWA及SiWA与离子液体之间均存在强烈的相互作用，复合质子导体的热分解温度达到300℃，比原离子液体的热分解温度约高出100℃。在相同温度下，复合质子导体中离子液体的含量越高电导率越大，并且在80℃～180℃非水条件下，随着温度的升高，电导率增加。其中，180℃下，PWA与[BMIM]H2PO4摩尔比为1∶5的质子导体电导率最高可达到6.7×10-3S/cm。
　　通过在复合质子导体中掺杂P2O5，明显改善PWA/[BMIM]H2PO4的电导率。当P2O5掺杂浓度为10wt％时，在180℃非水条件下，PWA/[BMIM]H2PO4/P2O5的电导率可达2.8×10-2S/cm，较未掺杂P2O5高出一个数量级。而SiO2对PWA/[BMIM]H2PO4及SiWA/[BMIM]H2PO4质子导体电导率未有明显改善。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 概述

1．2 无机质子导体简介

1．2．1 固体氧化物电解质

1．2．2 固态无机质子酸电解质

1．2．3 杂多酸类无机质子导体

1．3 基于离子液体的质子导体

1．3．1 离子液体简介

1．3．2 离子液体与质子导体

1．4 本课题的研究背景以及内容

第2章 离子液体[BMIM]H2PO4／杂多酸复合质子导体的制备及表征

2．1 实验仪器与药品

2．1．1 实验试剂

2．1．2 实验仪器

2．2 实验部分

2．2．1 离子液体[BMIM]H2PO4的合成

2．2．2 杂多酸与[BMIM]H2PO4复合质子导体的制备

2．2．3 红外光谱检测

2．2．4 热重分析

2．2．5 X-射线衍射分析

2．2．6 电导率测试

2．3 结果与讨论

2．3．1 磷钨酸与离子液体[BMIM]H2PO4复合质子导体表征

2．3．2 硅钨酸与离子液体[BMIM]H2PO4复合质子导体表征

2．3．3 SiWA／[BMIM]H2PO4与PWA／[BMIM]H2PO4质子导体性能比较

2．4 小结

第3章 杂多酸／[BMIM]H2PO4复合质子导体电导率改善研究

引言

3．1 实验仪器与药品

3．1．1 实验仪器

3．1．2 实验药品

3．2 实验部分

3．2．1 杂多酸／[BMIM]H2PO4／P2O5复合质子导体的制备

3．2．2 杂多酸／[BMIM]H2PO4／SiO2复合质子导体的制备

3．2．3 复合质子导体的表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 PWA／[BMIM]H2PO4／P2O5复合质子导体

3．3．2 SiO2对PWA／[BMIM]H2PO4质子导体的影响

3．3．3 P2O5掺杂SiWA／[BMIM]H2PO4质子导体

3．3．4 SiO2对SiWA／[BMIM]H2PO4质子导体电导率的影响

3．4 小结

第4章 结论

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文

参考文献