Протонпроводящие гибридные материалы на основе перфторированной сульфокатионитной мембраны МФ-4СК и наночастиц SiO2,ZrO2 и H3PW12O40

• Автор: Сафронова, Екатерина Юрьевна
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 126 с. : ил.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Основные типы твердых электролитов с проводимостью по ионам водорода.

1.1.1. Механизмы протонного переноса

1.1.2. Неорганические протонные проводники

1.1.2. Протонпроводяшие ионообменные полимерные мембраны

1.2. Перфорированные сульфокатионообмснные мембраны типа Нафион

1.3. Гибридные материалы на основе мембран типа Нафион.

1.3.1. Способы получения гибридных материалов на основе мембран типа Нафион.

1.3.2. Свойства гибридных мембран типа Нафион.

1.4. Методы исследования транспортных свойств мембран типа Нафион .

1.4.1. Измерение ионной проводимости

1.4.2. Спектроскопия ЯМР
1.4.3. Диффузионные эксперименты
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.
2.1. Модификация мембран.
2.1.1. Модификация мембран методом i i
2.1.2. Модификация мембран методом отливки
2.1.3. Получение мембран с градиентным распределением допанта
2.2. Методы исследования.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
3.1. Исследование композиционных мембран МФ4СК, содержащих оксид циркония
3.2. Исследование композиционных мембран МФ4СК, содержащих оксид кремния.
3.3. Исследование композиционных мембран МФ4СК, содержащих оксид кремния и гетерополисоединения
3.4. Изучение ионного переноса и особенностей гидратации катионов в модифицированных мембранах МФ4СК.
3.5. Свойства мембран с градиентным распределением допанта
4. ВЫВОДЫ
5. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.
ВВЕДЕНИЕ


Сделано предположение о том, что введение допантов приводит к изменению структуры пор и каналов мембраны и облегчению переноса ионов в ней. Обнаруженные закономерности и подходы к модификации могут позволить получать материалы с заданными свойствами. Синтезированы материалы с градиентным распределением оксида циркония по толщине, обладающие улучшенными диффузионными характеристиками и асимметрией ионного переноса. Методы синтеза гибридных мембран МФ4СК с различным содержанием оксидов кремния, циркония и ФВК методом i i внедрение допантов в матрицу готовой мембраны и методом отливки формирование мембраны из раствора полимера в присутствии частиц допанта или прекурсора для их дальнейшего получения. Результаты исследования ионной проводимости гибридных материалов на основе мембраны МФ4СК в условиях различной температуры и относительной влажности. Результаты исследования ионной подвижности протонов и катионов щелочных металлов и процессов самодиффузии воды в исходной и модифицированных мембранах методами спектроскопии ЯМР и ЯМР с импульсным градиентом магнитного поля. Данные по диффузионной проницаемости и асимметрии ионного переноса композиционных мембран. Личный вклад автора. Диссертантом получены основные экспериментальные результаты и проведена их обработка, осуществлен синтез исследуемых образцов, изучены их транспортные свойства, сформулированы положения, выносимые на защиту, и выводы. Международном симпозиуме i ii Латвия, Рига, международной конференции I i i ii Краснодар, 7ом Международном симпозиуме i СанктПетербург, . Работа выполнялась в рамках плана НИР Учреждения Российской академии наук Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований фант 2а, программы Президиума РАН Основы фундаментальных исследований нанотехнологий и наноматериалови др. По теме диссертации опубликовано работ, из них 9 статей в рецензируемых журналах, входящих в перечень изданий ВАК РФ, 1 патент, докладов на Российских и международных конференциях. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, обсуждения результатов, выводов и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 6 страницах печатного текста, содержит 8 таблиц и рисунка. Спискок цитируемой литературы содержит 8 наименований. Автор выражает благодарность д. Юркову Г. Ю. ИМЕТ РАН, Москва за исследование образцов с помощью просвечивающей электронной микроскопии д. Волкову В. И. ИПХФ РАН, Черноголовка за проведение исследований ЯМР к. Стениной И. А. и к. Пинусу И. Ю. ИОНХ РАН, Москва за проведение рентгенофазового анализа к. Стениной И. А., Лысовой и Каравановой Ю. А. ИОНХ РАН, Москва за проведение термогравиметрических исследований д. Горбуновой Ю. Г. за проведение исследований ИКспектроскописй ИОНХ РАН, Москва. В последние годы нее больший интерес в ионике твердого тела представляют твердотельные протонные проводники, что связано как с широкими возможностями использования протонных электролитов для конструирования различных устройств, так и с особенностями процесса ионного переноса в таких системах ввиду уникальности протона 1,2. Твердые электролиты с протонной проводимостью могут быть использованы для создания топливных элементов рис. Топливо например, водород, подается с одной стороны, сорбируется на платиновом катализаторе. После этого протоны под действием градиента химического потенциала мигрируют через электролит к аноду, придавая катодной части отрицательный потенциал. На другом каталитическом слое протекает реакция взаимодействия протонов с кислородом, приводящая к образованию молекул воды, а положительный заряд остается на аноде. Для практического применения и коммерциализации топливных элементов твердые электролиты должны отвечать следующим требованиям 3 иметь высокую протонную проводимость низкую электронную проводимость низкую проницаемость топлива и окислителя незначительный транспорт воды через электролит за счет диффузии и электроосмотического эффекта быть химически и термически стабильными иметь хорошие механические свойства, как в сухом, так и в увлажненном состоянии иметь низкую стоимость.