Способ получения силикофосфатного протонпроводящего материала, преимущественно для мембран топливных элементов (варианты)

Настоящее изобретение относится к способу получения силикофосфатного протонпроводящего материала и может быть использовано для изготовления мембран топливных элементов. Силикофосфатный протонпроводящий материал получен золь-гель методом. Исходные вещества для осуществления способа: тетраэтоксисилан, этанол, ортофосфорная кислота, серная кислота, четвертичная соль аммония с азотсодержащими гетероциклами с одним или двумя атомами азота, вода. Разработаны 3 варианта способа получения. Целевой материал получают в виде пленки различной толщины. Техническим результатом является обеспечение возможности получения силикофосфатного протонпроводящего материала в виде прочной пленки с минимальной толщиной 100-200 мкм, а также сохранение высокой протонной проводимости материала в широком температурном диапазоне. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 9 пр., 2 табл.

 

Изобретения относятся к способам получения силикофосфатного протонпроводящего материала и могут быть использованы, преимущественно, для изготовления мембран топливного элемента (ТЭ). Заявляемые варианты способа предназначены для получения мембран, способных обеспечить работу топливного элемента в широком диапазоне температур, включая область отрицательных температур, и нормального давления.

Протонпроводящая полимерная мембрана является электрическим изолятором, она работает как среда, перемещающая протоны от катода к аноду, и отделяет газообразное или жидкое топливо от окисляющего газа.

Соответственно, протонпроводящая мембрана должна иметь высокие прочностные характеристики, для работы в широком диапазоне температур от - 5 до 120°С и электрохимическую стабильность. К тому же необходимо, чтобы мембрану можно было изготовить в виде тонкого листа, чтобы улучшить механические свойства и снизить сопротивление. Более того, мембрана не должна сильно расширяться при пропитке жидкостью.

Из уровня техники известны способы получения материалов для ТЭ с твердым полимерным электролитом, отлитым в виде пленки - мембраны, полученным методом сополимеризации тетрафторэтилена с функциональным перфторированным сомономером. Известные ионообменные мембраны (ИОМ), обеспечивают наиболее благоприятный водный обмен вплоть до температуры 100°С, при сохранении высокой химической и физико-химической стабильности, а также низкого электросопротивления. Известны перфторированные сульфокатионитовые мембраны с указанным комплексом свойств [Патенты США: US 5281680, US 5919583, US 3962153, US 5766787, E.I. Du Pont de Nemours and Company, Wilmington, Del., 1997]. В России создан аналог такого типа мембран в ОАО «Пластполимер» [Патент РФ №2267498, 10.01.2006, C08F 214/26].

Проводимость такого материала в значительной степени определяется количеством адсорбированной воды, т.е. зависит от влажности окружающей среды, и имеет удовлетворительные значения лишь при относительной влажности, близкой к 95%.

Данная мембрана работает в узком интервале температур, для максимальной активизации работы электродов 60-90°С, и имеет высокую себестоимость.

Известен способ получения силикофосфатного протонпроводящего материала, основанный на золь-гель методе, исходя из гидролизованного тетраэтоксисилана с добавками борной кислоты и алкоксида алюминия, с последующей термообработкой полученного геля и прессованием порошка высушенного ксерогеля [Matsuda A., Yoshitaka N., Tadanaga К., Minami Т., Tatsumisago M. Proton conductivity at medium temperature range and chemical durability of phosphorsilicate gels added with a third component // Solid State lonics. 2003. V.162-163. P.253-259].

Недостатками данного способа являются:

1. Полученный силикофосфатный протонпроводящий материал не технологичен и может быть обработан только методом прессования с получением мембраны миллиметровой толщины. Таким образом, мембрана получается хрупкой, что снижает эксплутационные характеристики ТЭ.

2. Высокая протонная проводимость протонпроводящих мембран из данных материалов (~10-4-10-2 См/см) обеспечивается только для 130°С при высокой относительной влажности ~60%.

В процессе проведенных информационных исследований не выявлены другие способы получения подобного нанокомпозиционного протонпроводящего материала, в котором одновременно используются силикофосфатный неорганический нанокомпозит и органическая полимерная матрица с целью создания протонпроводящей мембраны для ТЭ.

Известен способ получения силикофосфатного протонпроводящего материала, включающий смешение тетраэтоксисилана, ортофосфорной кислоты, этанола, четвертичной соли аммония с азотсодержащими гетероциклами с одним или двумя атомами азота, гелирование смеси, термообработку и измельчение полученного ксерогеля. см. Цветкова И.Н. «Золь-гель синтез и исследование физико-химических свойств фосфорсиликатных, боросиликатных и фосфатных материалов», автореферат дисс. На соиск. уч. ст. канд. хим. наук, Санкт-Петербург, 2009). Известный способ позволяет получить материал с высокой протонной проводимостью в интервале температур от о до 120°С.

Данный способ выбран в качестве прототипа.

Недостатки прототипа заключаются в следующем:

1. Полученные материалы имеют высокую протонную проводимость, порядка 10-3-10-2 См/см, которая, однако, нестабильна во всем температурном диапазоне от 0 до 120°С.

2. Использование водного раствора аммиака в качестве катализатора вызывает кристаллизацию, которая резко снижает протонную проводимость, а также еще более снижает механическую прочность мембраны.

3. Использование соляной кислоты в качестве катализатора способствует загрязнению (отравлению) платинового катализатора под влиянием ионов хлора и снижает срок службы электрода ТЭ.

Задачей настоящих изобретений является создание новых способов получения силикофосфатного протонпроводящего нанокомпозитного материала, преимущественно обеспечивающего эксплуатацию мембран ТЭ в температурном диапазоне от минус 5°С до 120°С.

Технический результат, определяющий решение поставленной задачи, заключается в повышении механической прочности силикофосфатного протонпроводящего материала, величины которых достаточны для получения силикофосфатного протонпроводящего материала в виде гибкой пленки, при сохранении высокой протонной проводимости (10-3-10-1) См/см материала в широком температурном диапазоне от минус 5°С до 120°С.

Для достижения указанного технического результата предлагается группа изобретений, объединенных единым изобретательским замыслом, в виде трех вариантов способа получения силикофосфатного протонпроводящего материала, преимущественно для мембран топливных элементов.

В первом независимом варианте заявленное изобретение характеризуется следующей совокупностью существенных признаков.

Способ получения силикофосфатного протонпроводящего материала путем смешения исходных компонентов, включающих тетраэтоксисилан (Si(OEt)4), этанол (С2Н5ОН), полиионен, донор протонов в виде ортофосфорной кислоты, гелирования полученной смеси, термообработки полученного геля и его измельчения, характеризуется тем, что на стадии смешения исходных компонентов полиионен вводят в виде предварительно приготовленного водно-спиртового раствора, в качестве донора протонов используют смесь ортофосфорной и серной кислот, в качестве полиионена используют четвертичную соль аммония с азотсодержащими гетероциклами с одним или двумя атомами азота, затем полученный после термообработки измельченный ксерогель вводят в раствор глицерина в поливиниловом спирте, а полученную органо-неорганическую смесь отливают на поверхность и выдерживают на воздухе до полимеризации.

Кроме того, первый независимый вариант заявленного изобретения характеризуется рядом факультативных признаков, а именно:

- исходные компоненты смешивают в следующем количестве (в молях):

тетраэтоксисилана Si(OEt)4) 1
ортофосфорная кислота H3PO4 0,12-2,2
этанол C2H5OH 2-4
серная кислота H2SO4 0,1-0,5
четвертичная соль аммония с азотсодержащими
гетероциклами с одним или двумя атомами азота 5×10-4-8×10-4
вода Н2О 2-21

- органо-неорганическую смесь выдерживают на воздухе до образования силикофосфатной протонпроводящей пленки толщиной 300-400 мкм.

В данном варианте качестве полиионена используют четвертичную соль аммония с азотсодержащими гетероциклами с одним или двумя атомами азота, затем полученный после термообработки измельченный ксерогель вводят в раствор глицерина в поливиниловом спирте, что увеличивает однородность золя и, как следствие, однородность структуры мембраны, стабилизируя значения протонной проводимости. Использование в качестве донора протонов смеси ортофосфорной и серной кислот позволило отказаться от использования в качестве катализатора водного раствора или соляной HCl, или плавиковой кислоты HF, или аммиака NH3OH. Использование предложенной смеси кислот не приводит к отравлению платинового катализатора электрода ТЭ, обеспечивая тем самым стабильность его свойств во всем температурном диапазоне, включая зону отрицательных температур (от минус 5°C до 120°С). При этом смесь ортофосфорной и серной кислот выполняет функции катализатора, а также позволяет повысить уровень протонной проводимости без проведения дополнительной операции ультразвуковой обработки золя. Использование в качестве полиионенов четвертичной соли аммония с азотсодержащими гетероциклами обеспечивает температурную стабильность в интервале от минус 5°С до 120°С. При этом четвертичная соль аммония с азотсодержащими гетероциклами может быть использована с одним или двумя атомами азота, каждая из которых позволяет получить одинаковый технический результат. Использование полимерной матрицы в виде смеси поливинилового спирта с глицерином, позволяет получить протонпроводящий материал в виде пленки, например методом литья, что обеспечивает улучшение механической прочности полученного материала и придает гибкость полученной пленке. По первому варианту заявленного способа может быть получена силикофосфатная протонпроводящая пленка, толщина которой составляет 300-400 мкм.

Во втором независимом варианте заявленное изобретение характеризуется следующей совокупностью существенных признаков.

Способ получения силикофосфатного протонпроводящего материала путем смешения исходных компонентов, включающих тетраэтоксисилан (Si(OEt)4), этанол (C2H5OH), полиионен, донор протонов в виде ортофосфорной кислоты, характеризуется тем, что на стадии смешения исходных компонентов полиионен вводят в виде предварительно приготовленного водно-спиртового раствора, в качестве донора протонов используют смесь ортофосфорной и серной кислот, в качестве полиионена используют четвертичную соль аммония с азотсодержащими гетероциклами с одним или двумя атомами азота, полученный золь вводят в раствор глицерина в поливиниловом спирте, а полученную органо-неорганическую смесь отливают на поверхность и выдерживают на воздухе до полимеризации.

Кроме того, второй независимый вариант заявленного изобретения характеризуется рядом факультативных признаков, а именно:

- исходные компоненты смешивают в следующем количестве (в молях):

тетраэтоксисилана Si(OEt)4) 1
ортофосфорная кислота H3PO4 0,12-2,2
этанол С2Н5ОН 2-4
серная кислота H2SO4 0,1-0,5
четвертичная соль аммония с азотсодержащими
гетероциклами с одним или двумя атомами азота 5×10-4-8×10-4
вода Н2О 2-21

органо-неорганическую смесь выдерживают на воздухе до образования силикофосфатной протонпроводящей пленки толщиной 100-200 мкм.

В отличие от прототипа на стадии смешения исходных компонентов полиионен вводят в виде предварительно приготовленного водно-спиртового раствора, что увеличивает однородность золя и, как следствие, однородность структуры мембраны, стабилизируя значения протонной проводимости. Использование в качестве донора протонов смеси ортофосфорной и серной кислот позволило отказаться от использования в качестве катализатора водного раствора или соляной HCl, или плавиковой кислоты HF, или аммиака NH3OH. Использование предложенной смеси кислот не приводит к отравлению платинового катализатора электрода, обеспечивая тем самым стабильность его свойств во всем температурном диапазоне, включая зону отрицательных температур (от минус 5°С до 120°С). При этом смесь ортофосфорной и серной кислот выполняет функции катализатора. Использование полимерной матрицы, в качестве которой может быть выбрана смесь поливинилового спирта с глицерином, позволяет получить протонпроводящий материал в виде пленки, например методом литья, что обеспечивает улучшение механической прочности полученного материала и придает гибкость полученной пленке. По второму варианту заявленного способа может быть получена силикофосфатная протонпроводящая пленка, толщина которой составляет 100-200 мкм.

В третьем независимом варианте заявленное изобретение характеризуется следующей совокупностью существенных признаков.

Способ получения силикофосфатного протонпроводящего материала путем смешения исходных компонентов, включающих тетраэтоксисилан (Si(OEt)4), этанол (C2H5OH), полиионен, донор протонов в виде ортофосфорной кислоты, гелирования полученной смеси, полученный гель подвергают термообработке и измельчают, характеризуется тем, что на стадии смешения исходных компонентов полиионен вводят в виде предварительно приготовленного водно-спиртового раствора, в качестве донора протонов используют смесь ортофосфорной и серной кислот, в качестве полиионена используют четвертичную соль аммония с азотсодержащими гетероциклами с одним или двумя атомами азота, полученный после термообработки и измельченный ксерогель формуют методом прессования, образуя силикофосфатный протонпроводящий материал в виде пленки.

Кроме того, третий независимый вариант заявленного изобретения характеризуется рядом факультативных признаков, а именно;

- исходные компоненты смешивают в следующем количестве (в молях):

тетраэтоксисилана Si(OEt)4) 1
ортофосфорная кислота H3PO4 0,12-2,2
этанол C2H5OH 2-4
серная кислота H2SO4 0,1-0,5
четвертичная соль аммония с азотсодержащими
гетероциклами с одним или двумя атомами азота 5×10-4-8×10-4
вода Н2О 2-21

- измельченный ксерогель до размера частиц 0,02-0,1 мм формуют методом прессования при давлении 5000 кг/см2, образуя силикофосфатную протонпроводящую пленку, толщина которой составляет 0,2-0,4 мм.

В отличие от прототипа на стадии смешения исходных компонентов полиионен вводят в виде предварительно приготовленного водно-спиртового раствора, что увеличивает однородность золя и, как следствие, однородность структуры мембраны, стабилизируя значения протонной проводимости. Использование в качестве донора протонов смеси ортофосфорной и серной кислот позволило отказаться от использования в качестве катализатора водного раствора или соляной HCl, или плавиковой кислоты HF, или аммиака NH3OH. Использование предложенной смеси кислот не приводит к отравлению платинового катализатора электрода, обеспечивая тем самым стабильность его свойств во всем температурном диапазоне, включая зону отрицательных температур (от минус 5°С до 120°С). Кроме того, смесь ортофосфорной и серной кислот выполняет функции катализатора. Введение донора протонов в виде смеси ортофосфорной и серной кислот позволяет повысить уровень протонной проводимости без проведения дополнительной операции ультразвуковой обработки золя. Возможно осуществить формование измельченного и приготовленного в виде порошка ксерогеля, без использования органических пластификаторов. При этом достигается высокий уровень протонной проводимости материала, наряду с обеспечением высокой механической прочности, что позволяет получить материала виде тонкой пленки.

По третьему варианту заявленного способа может быть получена силикофосфатная протонпроводящая пленка, толщина которой составляет 0,2-0,4 мм. Полученный материал обладает улучшенной механической прочностью.

Таким образом, три независимых варианта заявленного способа характеризуются наличием следующих существенных признаков, направленных на достижение указанного технического результата.

1. Растворение полиионена в водно-спиртовом растворе, что увеличивает однородность золя и, как следствие, однородность структуры мембраны, стабилизируя значения протонной проводимости. Использование в качестве полиионена четвертичной соли аммония с азотсодержащими гетероциклами с одним или двумя атомами азота,

2. Замена кислотных и щелочных катализаторов процесса гелеобразования в виде водного раствора или соляной HCl, или плавиковой кислоты HF, или аммиака NH3OH на введение дополнительного количества ортофосфорной кислоты вместе с серной кислотой, что не приводит к отравлению платинового катализатора электрода, обеспечивая стабильность его свойств во всем температурном диапазоне.

3. Введение дополнительного донора протонов в виде смеси ортофосфорной и серной кислот, что позволяет повысить уровень протонной проводимости без проведения дополнительной операции - используемой в ближайшем аналоге ультразвуковой обработки золя.

4. Использование в качестве полиионенов только гетероциклических азотсодержащих соединений, обеспечивающих температурную стабильность в интервале от минус 5°C до 120°С.

5. Для улучшения механической прочности протонпроводящего материала его:

- отливают в виде пленки (по 1 и 2 вариантам), что обеспечивается введением полимерной матрицы в виде раствора поливинилового спирта в глицерине;

- прессуют в виде пленки (по 3 варианту) без использования полимерной матрицы. 6. Для улучшения механической прочности силикофосфатного материала без использования органических пластификаторов возможно формирование материала путем измельчения порошка до размера частиц 0,02-0,1 мм, после чего при комнатной температуре и давлении 5000 кг/см2 происходит прессование пленки толщиной 0,2 мм. Таким образом, достигается высокий уровень протонной проводимости материала, наряду с обеспечением высокой механической прочности, позволяя получать тонкую пленку (по 3 варианту).

7. Таким образом, совокупность перечисленных существенных признаков во всех трех вариантах способа необходима и достаточна для достижения указанного выше технического результата. Каждый из трех вариантов позволяет получить силикофосфатный протонпроводящий материал, выделенный в виде механически прочной и гибкой тонкой пленки, использовать ее, как матрицу ТЭ, обеспечить стабильную протонную проводимость в широком диапазоне температур, включая зону отрицательных температур (от минус 5°С до 120°С). Данные технические свойства полученного материала позволяют увеличить срок службы мембраны ТЭ.

Примеры реализация способа по первому варианту:

Пример 1. Заявляемый состав №1 может быть получен следующим способом. Полиионен растворяют в смеси воды и спирта, после чего добавляют ТЭОС и смесь ортофосфорной и серной кислот. Состав компонентов в реакционной композиции золя отвечает соотношению следующим мольным соотношениям (состав указан в таблице 1): 1 моль Si(OEt)4; 4 моль C2H5OH; 1 моль H3PO4; 0,1 моль H2SO4; 7 моль Н2О; 5·10-4 моль ПИ-2 (ПИ-2 - алкилароматическая олигомерная соль четвертичного аммония с двумя атомами аммония в гетероцикле, молекулярная масса 3500).

Все компоненты перемешивают и полученная смесь остается для созревания геля. Полученный гель подвергается термообработке в вакууме в течение 5 часов при 80°C. Высушенный ксерогель измельчают и вносят в растворенный в глицерине поливиниловый спирт (в соотношении указанном в таблице 2), тщательно перемешивается и полученная масса отливается на фторопластовую поверхность. Отлитую пленку выдерживают 1 сутки на воздухе до полной полимеризации, а затем высушивают при температуре 50°С в течение 4 часов. Полученный силикофосфатный материал представляет собой непрозрачную полимерную пленку. Показатели протонной проводимости и механической прочности полученного материала приведены в таблицах 1 и 2.

Пример 2. Заявляемый состав №2 может быть получен аналогичным способом указанном в примере 1, но с иным количественным соотношением компонентов (состав указан в таблице 1): 1 моль Si(OEt)4; 4 моль С2Н5ОН; 1 моль H3PO4; 0,35 моль H2SO4; 7 моль Н2О; 5·10-4 моль ПИ-2. Показатели протонной проводимости и механической прочности полученного материала приведены в таблицах 1 и 2.

Пример 3. Заявляемый состав №3 может быть получен аналогичным способом указанном в примере 1, но с количественным соотношением компонентов (состав указан в таблице 1): 1 моль Si(OEt)4; 4 моль С2Н5ОН; 1 моль H3PO4; 0,2 моль H2SO4; 7 моль Н2О; 5·10-4 моль ПИ-2. Показатели протонной проводимости и механической прочности полученного материала приведены в таблицах 1 и 2.

Примеры реализация способа по второму варианту:

Пример 4. Заявляемый состав №4 (таблица 1) может быть получен следующим образом. Полиионен растворяют в смеси воды и спирта, после чего добавляют ТЭОС и смесь ортофосфорной и серной кислот. Состав компонентов в реакционной композиции золя отвечает соотношению следующим мольным соотношениям (состав указан в таблице 1): 1 моль Si(OEt)4; 4 моль C2H5OH; 0,5 моль H3PO4; 0,1 моль H2SO4; 7 моль H2O; 5·10-4 моль ПИ-1 (ПИ-1 - олигомерная соль четвертичного аммония с одним атомом азота в гетероцикле, молекулярная масса 3000-7000).

Все компоненты перемешивают и вводят в растворенный в глицерине поливиниловый спирт (в соотношении, указанном в таблице 2). Смесь тщательно перемешивают и полученный золь отливают на фторопластовую поверхность. Отлитую пленку выдерживают 1 сутки на воздухе до полной полимеризации, а затем высушивают при температуре 50°C в течение 4 часов. Полученный силикофосфатный материал представляет собой прозрачную полимерную пленку - протонпроводящий материал. Показатели протонной проводимости и механической прочности полученного материала приведены в таблицах 1 и 2.

Пример 5. Заявляемый состав №5 может быть получен аналогичным способом, указанным в примере 4, но с другим количественным составом компонентов (состав указан в таблице 1): 1 моль Si(OEt)4; 4 моль С2Н5ОН; 0,5 моль H3PO4; 0,35 моль H3SO4; 7 моль H2O; 5·10-4 моль ПИ-1. Показатели протонной проводимости и механической прочности полученного материала приведены в таблицах 1 и 2.

Пример 6. Заявляемый состав №6 может быть получен указанным в примере 4 способом, но с другим количественным составом компонентов (состав указан в таблице 1): 1 моль Si(OEt)4; 4 моль С2Н5ОН; 0,5 моль H3PO4; 0,2 моль H2SO4; 7 моль Н2О; 5·10-4 моль ПИ-1. Показатели протонной проводимости и механической прочности полученного материала приведены в таблицах 1 и 2.

Примеры реализация способа по третьему варианту:

Пример 7. Заявляемый состав №7 может быть получен следующим способом. Полиионен растворяют в смеси воды и спирта, после чего добавляют ТЭОС и смесь ортофосфорной и серной кислот. Состав компонентов в реакционной композиции золя отвечает соотношению следующим мольным соотношениям (состав указан в таблице 1): 1 моль Si(OEt)4; 4 моль C2H5OH; 1,5 H3PO4; 0,4 моль H2SO4; 7 моль Н2О; 5·10-4 моль ПИ-2. Все компоненты перемешивают и полученная смесь остается для созревания геля. Полученный гель подвергает термообработке в вакууме в течение 5 часов при 80°C. Высушенный ксерогель измельчают до размера частиц 0,02-0,1 мм, затем методом прессования при давлении 5000 кг/см2, формуют силикофосфатную протонпроводящую пленку, толщина которой составляет 0,2-0,4 мм. Полученный силикофосфатный материал представляет собой непрозрачный плотный протонпроводящий материал. Показатели протонной проводимости и механической прочности полученного материала приведены в таблицах 1 и 2.

Пример 8. Заявляемый состав №8 может быть получен быть получен аналогичным способом указанном в примере 7, но с другим количественным соотношением компонентов (состав указан в таблице 1): 1 моль Si(OEt)4; 4 моль С2Н5ОН; 1,5 H3PO4; 0,5 моль H2SO4; 7 моль Н2О; 5·10-4 моль ПИ-2. Показатели протонной проводимости и механической прочности полученного материала приведены в таблицах 1 и 2.

Пример 9. Заявляемый состав №9 может быть получен аналогичным способом указанном в примере 8, но с другим количественным соотношением компонентов (состав указан в таблице 1): 1 моль Si(OEt)4; 4 моль C2H5OH; 1,5 H3PO4; 0,2 моль H2SO4; 7 моль H2O; 5·10-4 моль ПИ-2.

Таблица 2
Наименование способа получения Основные компоненты для получения силикофосфатного протонпроводящего материала (преимущественно для мембраны) Механическая прочность*, в баллах
Золь 1 г Ксерогель 2 г ПВС г Глицерин г
Отливка пленки согласно предлагаемому способу №1 (вар.1) №1 0,5 0,5 5
№2 (вар.1) №2 1,5 1 4
№3 (вар.1) №3 9 0,5 4
№4 (вар.2) №4 0,5 0,5 5
№5 (вар.2) №5 1,5 1,2 5
№6 (вар.2) №6 2 0,8 5
Прессование пленки №7 (вар.3) №7 - - 4
№8 (вар.3) №8 - - 4
№9 (вар.3) №9 - - 4
Прессование таблетки, согласно ближайшему аналогу + - - 1
* - Механическая прочность оценивалась в баллах ранговым методом по пятибалльной шкале: разрушается на воздухе в течение 2 недель - 1 балл; разрушается на воздухе в течение 6 месяцев - 2 балла; не разрушается на воздухе - 3 балла; не разрушается на воздухе, но ломается при сжатии - 4 балла; не разрушается на воздухе, гибкая, прочная, прозрачная - 5 баллов.

Рассмотренные три варианта синтеза позволяют получить материалы, в основу которых положен золь-гель процесс, являющийся широко используемым в нанотехнологии.

1. Способ получения силикофосфатного протонпроводящего материала путем смешения исходных компонентов, включающих тетраэтоксисилан (Si(OEt)4), этанол (С2Н5ОН), полиионен, донор протонов в виде ортофосфорной кислоты, гелирования полученной смеси, термообработки полученного геля и его измельчения, отличающийся тем, что на стадии смешения исходных компонентов полиионен вводят в виде предварительно приготовленного водно-спиртового раствора, в качестве донора протонов используют смесь ортофосфорной и серной кислот, в качестве полиионена используют четвертичную соль аммония с азотсодержащими гетероциклами с одним или двумя атомами азота, затем полученный после термообработки измельченный ксерогель вводят в раствор глицерина в поливиниловом спирте, а полученную органо-неорганическую смесь отливают на поверхность и выдерживают на воздухе до полимеризации.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что исходные компоненты смешивают в следующем количестве (в молях):

тетраэтоксисилан (Si(OEt)4) 1
ортофосфорная кислота Н3РO4 0,12-2,2
этанол С2H5ОН 2-4
серная кислота H2SO4 0,1-0,5
четвертичная соль аммония с азотсодержащими гетероциклами с одним или двумя атомами азота 5·10-4-8·10-4
вода Н2О 2-21

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что органо-неорганическую смесь выдерживают на воздухе до образования силикофосфатной протонпроводящей пленки толщиной 300-400 мкм.

4. Способ получения силикофосфатного протонпроводящего материала путем смешения исходных компонентов, включающих тетраэтоксисилан (Si(OEt)4), этанол (C2H5OH), полиионен, донор протонов в виде ортофосфорной кислоты, отличающийся тем, что на стадии смешения исходных компонентов полиионен вводят в виде предварительно приготовленного водно-спиртового раствора, в качестве донора протонов используют смесь ортофосфорной и серной кислот, в качестве полиионена используют четвертичную соль аммония с азотсодержащими гетероциклами с одним или двумя атомами азота, полученный золь вводят в раствор глицерина в поливиниловом спирте, а полученную органо-неорганическую смесь отливают на поверхность и выдерживают на воздухе до полимеризации.

5. Способ по п.7, отличающийся тем, что исходные компоненты смешивают в следующем количестве (в молях):

тетраэтоксисилан (Si(OEt)4) 1
ортофосфорная кислота Н3РO4 0,12-2,2
этанол С2Н5ОН 2-4
серная кислота H2SO4 0,1-0,5
четвертичная соль аммония с азотсодержащими гетероциклами с одним или двумя атомами азота 5·10-4-8·10-4
вода Н2О 2-21

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что органо-неорганическую смесь выдерживают на воздухе до образования силикофосфатной протонпроводящей пленки толщиной 100-200 мкм.

7. Способ получения силикофосфатного протонпроводящего материала путем смешения исходных компонентов, включающих тетраэтоксисилан (Si(OEt)4), этанол (C2H5OH), полиионен, донор протонов в виде ортофосфорной кислоты, гелирования полученной смеси, полученный гель подвергают термообработке и измельчают, отличающийся тем, что на стадии смешения исходных компонентов полиионен вводят в виде предварительно приготовленного водно-спиртового раствора, в качестве донора протонов используют смесь ортофосфорной и серной кислот, в качестве полиионена используют четвертичную соль аммония с азотсодержащими гетероциклами с одним или двумя атомами азота, полученный после термообработки и измельченный ксерогель формуют методом прессования, образуя силикофосфатный протонпроводящий материал в виде пленки.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что исходные компоненты смешивают в следующем количестве (в молях):

тетраэтоксисилан (Si(OEt)4) 1
ортофосфорная кислота Н3РО4 0,12-2,2
этанол C2H5OH 2-4
серная кислота Н2SO4 0,1 -0,5
четвертичная соль аммония с азотсодержащими гетероциклами с одним или двумя атомами азота 5·10-4-8·10-4
вода Н2О 2-21

9. Способ по п.7, отличающийся тем, что измельченный ксерогель до размера частиц 0,02-0,1 мм формуют методом прессования при давлении 5000 кг/см2, образуя силикофосфатную протонпроводящую пленку, толщина которой составляет 0,2-0,4 мм.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к мембранной технике и технологии, в частности к способам получения композитных материалов на основе катионообменных мембран с полианилином, и может быть использовано в электродиализных аппаратах для процессов концентрирования солевых растворов и разделения многокомпонентных смесей.
Изобретение относится к области электрохимии, в частности к разделу прямого преобразования химической энергии в электрическую, и может быть использовано в производстве сепараторов для топливных элементов со щелочным электролитом (ТЭЩЭ).
Изобретение относится к технологии получения протонпроводящих полимерных мембран и может быть использовано в водородной энергетике и при производстве твердополимерных топливных элементов.

Изобретение относится к производству бумаги и картона. .

Изобретение относится к области химии силикатных материалов. .
Изобретение относится к области химии. .

Изобретение относится к силикатам на основе щелочноземельного металла, меди и (в случае необходимости) титана, синим или фиолетовым пигментам на основе этих силикатов, способу их получения.

Изобретение относится к способу получения метасиликатов металлов, применяемых в оптическом стекловарении. .

Изобретение относится к химической технологии и неорганической химии силикатов. .

Изобретение относится к способам получения силикатов металлов, в частности силиката свинца, широко применяемого в стекловарении, а также в качестве связующего в керамике и одного из компонентов в отвердителях для смол и т.д.

Изобретение относится к способам получения галлосиликатов с атомным отношением Si/a 20, применяемых в качестве катализаторов и адсорбентов. .

Изобретение относится к области синтеза неорганических соединений. .

Изобретение относится к способам получения синтетической хризоколлы, являющийся продуктом окисления медных руд, и может быть использована для извлечения меди. .
Изобретение может быть использовано для визуализации света ультрафиолетового диапазона, рентгеновского и электронного излучения в осветительных системах и оптических дисплеях. Сложный силикат редкоземельных элементов состава Sr2Gd8(1-x)Eu8xSi6O26 (0,001≤x≤0,5) в наноаморфном состоянии используют в качестве люминофора красного свечения. Предложенный люминофор обладает высокой интенсивностью красного свечения, при этом интенсивность оранжевого свечения к красному составляет 14-16%, т.е. уменьшена по сравнению с известными люминофорами. 3 пр.
Изобретение относится к кремнезёмсодержащим материалам. Предложен состав, содержащий вещество, имеющее эмпирическую формулу (SiO2)х(ОН)yMzOa, где М представляет собой катион металла или металлоида. 0,01-100% удельной площади поверхности вещества покрыто органосиланом. Молярное отношение у/х составляет от 0,01 до 0,5, молярное отношение x/z составляет от 0,1 до 300, а молярное отношение a/z зависит от свойства содержащегося в веществе оксида металла. Полученный продукт эффективен в качестве наполнителя, носителя катализатора или адсорбента. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 пр.
Изобретение может быть использовано при получении сорбентов для очистки воды от токсичных неорганических веществ. Исходный каркасный титаносиликат Na3(Na,H)Ti2O2[Si2O6]2·2H2O обрабатывают 0,01-0,4 М раствором соляной кислоты в течение 0,5-2 часов с получением кристаллического слоистого титаносиликата Ti2(OH)2[Si4O10(OH)2](H2O)2. Затем титаносиликат подвергают модифицированию путем обработки 0,001-0,01 М раствором нитрата серебра или хлорида цезия в течение не более 24 часов при рН 6-12 и перемешивании. Выделяют титаносиликатную твердую фазу центрифугированием, промывают деионизированной водой при Т:Ж=1:(3-5) и сушат при температуре 70-100°С. Получают кристаллический каркасный титаносиликат (Mem,Н4-m)Ti2O2[Si2O6]2·nH2O, где Me - серебро или цезий, m=0,1-1,0, n=0,5-1,8. Изобретение позволяет получить интеркалированные каркасные титаносиликаты цезия и серебра с высокой регенерируемостью и сорбционной емкостью по иоду 13,84 и 14,1 мг/г, что соответствует степени извлечения 48,4 и 49,3%. 3 з.п. ф-лы, 5 пр.
Изобретение относится к материалам для сорбции. Предложен содержащий кремнезем сорбционный состав, имеющий формулу:(SiO2)x(OH)yMzSa, где М представляет собой катион металла или металлоида, S представляет собой серосодержащее соединение, выбранное из, по меньшей мере, одного из следующих соединений: сульфиды и полисульфиды, где 0,01-100% удельной площади поверхности покрыто функционализированным органосиланом. Молярное отношение у/х составляет от 0,01 до 0,5, молярное отношение х/z составляет от 3 до 300, а молярное отношение a/z составляет от 1 до 5. Полученный продукт имеет высокие показатели удельной поверхности и объёма пор. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 4 пр.

Настоящее изобретение относится к способу получения силикофосфатного протонпроводящего материала и может быть использовано для изготовления мембран топливных элементов. Силикофосфатный протонпроводящий материал получен золь-гель методом. Исходные вещества для осуществления способа: тетраэтоксисилан, этанол, ортофосфорная кислота, серная кислота, четвертичная соль аммония с азотсодержащими гетероциклами с одним или двумя атомами азота, вода. Разработаны 3 варианта способа получения. Целевой материал получают в виде пленки различной толщины. Техническим результатом является обеспечение возможности получения силикофосфатного протонпроводящего материала в виде прочной пленки с минимальной толщиной 100-200 мкм, а также сохранение высокой протонной проводимости материала в широком температурном диапазоне. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 9 пр., 2 табл.

Наверх