質(zhì)子導(dǎo)體材料的應(yīng)用

李奕淇

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201722104

摘要：質(zhì)子導(dǎo)體屬于新型導(dǎo)電電解質(zhì)，是一種以質(zhì)子為媒介來(lái)傳導(dǎo)電荷的固體導(dǎo)電材料，可以進(jìn)行氫離子導(dǎo)電。由于質(zhì)子導(dǎo)體材料非常優(yōu)越的導(dǎo)電性，在水電解制氫、氫傳感器、有機(jī)電化學(xué)加氫等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用并成為電化學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。為了使人們更加了解質(zhì)子導(dǎo)體，本文介紹了什么是質(zhì)子導(dǎo)體材料，并探討了質(zhì)子導(dǎo)體的代表種類與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：質(zhì)子導(dǎo)體材料；特點(diǎn)；應(yīng)用

作為新型材料，質(zhì)子導(dǎo)體因其較高的離子電導(dǎo)率，被廣泛應(yīng)用于氫氣傳感器以及電化學(xué)方式氫的制備等方面，具有很廣闊的應(yīng)用和開(kāi)發(fā)前景，是各國(guó)科技工作者研究的熱點(diǎn)。質(zhì)子導(dǎo)體是一種以質(zhì)子為媒介來(lái)傳導(dǎo)電荷的固體導(dǎo)電材料，可以進(jìn)行氫離子導(dǎo)電。電解現(xiàn)象發(fā)生后，由于質(zhì)子具有很高的遷移率，氫所攜帶的正電荷的電解質(zhì)就可以在陰極發(fā)生反應(yīng)，并產(chǎn)生質(zhì)子在質(zhì)子離解基團(tuán)之間遷移，這種質(zhì)子導(dǎo)體在進(jìn)行電荷傳導(dǎo)的時(shí)候，質(zhì)子的電導(dǎo)率要明顯大于電子的電導(dǎo)率。

1 質(zhì)子導(dǎo)體材料簡(jiǎn)介

質(zhì)子導(dǎo)體材料被人們分成含氫鍵質(zhì)子導(dǎo)體和無(wú)氫鍵質(zhì)子導(dǎo)體兩種類型。含氫鍵的質(zhì)子導(dǎo)體是水合物，絕大多數(shù)屬于高溫質(zhì)子導(dǎo)體的類別。這種水合物質(zhì)子導(dǎo)體主要可分以共價(jià)多面體連接成層狀形態(tài)并在不同的層次之間通道中含有水及水合離子為結(jié)構(gòu)特征的質(zhì)子導(dǎo)體和由連接水及水合離子來(lái)平衡這些帶電的膠體微粒電荷的質(zhì)子導(dǎo)體。作為水合物質(zhì)子導(dǎo)體，它們都具有一定的水吸附性能。一旦發(fā)生相對(duì)濕度大于某一定值的現(xiàn)象，質(zhì)子導(dǎo)體的水吸附量以及質(zhì)子電導(dǎo)率就會(huì)保持恒定，而出現(xiàn)相對(duì)濕度小于某一定值現(xiàn)象時(shí)，這些水合物質(zhì)子導(dǎo)體的水吸附量以及質(zhì)子電導(dǎo)率就會(huì)產(chǎn)生迅速降低的情況，因此人們斷定這些導(dǎo)體的水吸附及質(zhì)子電導(dǎo)率與插入的水有很大的關(guān)系，會(huì)隨相對(duì)濕度的增加而不斷增高。

近年來(lái)，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注有關(guān)無(wú)氫鍵的質(zhì)子導(dǎo)體和氧化物質(zhì)子導(dǎo)體方面的研究。無(wú)氫鍵導(dǎo)體本身不含有氫鍵，能夠穩(wěn)定地存在于高溫環(huán)境當(dāng)中。氧化物質(zhì)子導(dǎo)體形式存在的化合物高溫質(zhì)子導(dǎo)電性較高，被廣泛應(yīng)用于氫氣的制備、濃差電池的應(yīng)用、及溫度傳感器的制造等方面。

2 質(zhì)子導(dǎo)體的代表種類與應(yīng)用

2.1 有機(jī)聚合物質(zhì)子導(dǎo)體

聚合物電解質(zhì)是一種應(yīng)用很廣泛的有機(jī)質(zhì)子導(dǎo)體，有全氟磺酸，它的性能最強(qiáng)。它的主要組成部分是由疏水的碳氟主鏈區(qū)，離子簇和離子簇間形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。膜內(nèi)離子和水分子遷移的唯一通道就存在于離子簇間所形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)當(dāng)中。離子膜之所以具備選擇透過(guò)性的特性，是因?yàn)殡x子膜帶有負(fù)電荷的固定離子，可以在高溫情況下通過(guò)聚合物共混的途徑和無(wú)機(jī)物摻雜方式來(lái)生成優(yōu)異性能的復(fù)合膜來(lái)達(dá)到對(duì)全氟磺酸膜的改性要求。高溫環(huán)境下離子膜內(nèi)水的快速蒸發(fā)現(xiàn)象導(dǎo)致了離子膜結(jié)構(gòu)和成分的隨之變化和離子膜本身質(zhì)子傳導(dǎo)性及機(jī)械性能的降低。氟化過(guò)程對(duì)環(huán)境的污染導(dǎo)致無(wú)氟聚合物質(zhì)子交換膜研究的快速發(fā)展。加大酸的摻雜量，與聚合物結(jié)合的酸就會(huì)有剩余，質(zhì)子就可以在這些酸之間進(jìn)行傳遞，從而增大電導(dǎo)率。

2.2 固體酸性無(wú)機(jī)物質(zhì)子導(dǎo)體

固體酸的質(zhì)子傳導(dǎo)性能非常優(yōu)異，但其本身所具有的水溶性和不穩(wěn)定在很大程度上限制了它在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的廣泛應(yīng)用。它具有水溶性且在高溫下出現(xiàn)明顯的塑形變形，仍然還具有穩(wěn)定的電池性能。固體酸性無(wú)機(jī)物質(zhì)子導(dǎo)體比磷酸等陰離子基的超質(zhì)子導(dǎo)體具穩(wěn)定性更高。這些導(dǎo)體的固體酸性結(jié)構(gòu)是一個(gè)有序到無(wú)序性其決定性的一個(gè)主要特征。

2.3 氧化物型質(zhì)子導(dǎo)體

對(duì)于氧化物導(dǎo)體，可分為鈣鈦礦型氧化物質(zhì)子導(dǎo)體和其它氧化物質(zhì)子導(dǎo)體。鈣鈦礦型氧化物固體電解質(zhì)有兩種類型，即復(fù)合鈣鈦礦型和簡(jiǎn)單鈣鈦礦型。人們對(duì)鈣鈦礦型氧化物質(zhì)子導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)理的研究由來(lái)已久，但是到目前為止還沒(méi)有公認(rèn)的較為成熟的理論。基氧化物質(zhì)子具有較低的傳導(dǎo)性和較大的質(zhì)子遷移數(shù)，摻雜基氧化物的材料化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械性能都很優(yōu)良，但電導(dǎo)率較低。目前在各種材料的性質(zhì)上都會(huì)存在一定的缺陷，這就是鈣鐵礦型氧化物固體電解質(zhì)到現(xiàn)在還沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用的原因之一。

其它氧化物質(zhì)子導(dǎo)體是具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，有耐溫較高的溫度，與鈣鈦礦型導(dǎo)體相比，具有很好的應(yīng)用前景。人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了這種高性能的質(zhì)子導(dǎo)體的導(dǎo)電性，但是離著市場(chǎng)開(kāi)發(fā)和實(shí)際應(yīng)用還有很大的距離。

3 結(jié)語(yǔ)

質(zhì)子導(dǎo)體在多個(gè)領(lǐng)域上具有應(yīng)用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景，在新型高溫質(zhì)子導(dǎo)體材料的發(fā)展方面，也具備良好的前景，在未來(lái)階段下，將會(huì)誕生化學(xué)穩(wěn)定性、離子電導(dǎo)率更優(yōu)的新型質(zhì)子導(dǎo)體材料。此外，質(zhì)子導(dǎo)體還具有較好的抗積碳性能，通過(guò)對(duì)其導(dǎo)電機(jī)理的完善，電導(dǎo)率和穩(wěn)定性的研究，質(zhì)子導(dǎo)體必將會(huì)有一個(gè)廣闊的應(yīng)用前景。

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