具有质子传导性质无机微孔材料的合成及性质研究

作     者：孙延俊 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李激扬

授予年度：2016年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：分子筛 无有机模板剂 碱金属 水热合成 质子电导 

摘      要：磷酸铝分子筛和相关的开放骨架结构是无机微孔材料中的一个主要系列,这类材料由于其超大的比表面积,多元的孔道及丰富的酸性位点等,在催化、分离、吸附等方面有重要的应用。目前磷酸铝分子筛的合成手段主要通过有机模板剂或结构导向剂合成,但有机结构导向剂的使用使得磷酸铝分子筛在实际应用上存在很多缺陷,例如高的合成成本、反应废料造成的环境污染、煅烧除模板剂的高能耗等,因此开发低成本、绿色的合成途径非常重要。分子筛类材料新性质的研究一直引人关注。质子传导是固体电化学中重要的性质,在燃料电池方面有很好的应用。分子筛类材料具有规则的孔结构及多样的骨架组成,在固体质子传导方面有着潜在的应用价值。但是,与目前广泛研究的MOF材料和配位聚合物材料相比,分子筛材料在质子传导方面的研究还非常有限。目前只有几种典型的分子筛材料,例如HZSM-5、HBeta、HY被报导具有一定的质子传导能力。水分子和氢键是质子传导材料的关键因素,在无有机模板剂合成的分子筛结构中,水分子可能代替结构导向剂存在于分子筛孔道中来稳定结构。另一方面,碱金属位于分子筛材料孔道中也会影响质子传导的能力。因此,碱金属导向无有机模板剂合成分子筛会为分子筛质子传导材料提供更多的可能性。本论文中,我们选取Na盐为碱金属源,在无有机模板剂的水热合成条件下尝试合成具有新颖结构的磷酸铝分子筛,以及已知的硅铝分子筛,对比研究其质子传导能力,探究分子筛材料中水分子及碱金属离子对质子传导能力的影响。主要工作如下:在无有机模板剂水热合成条件下,在Al2O3–P2O5–Na2O–H2O体系中,成功合成出新型开放骨架结构Na6[(Al PO4)8(OH)6]·8H2O(JU103)。JU103是具有新颖结构的三维开放骨架化合物,其骨架由PO4四面体和Al O5、Al O4(OH)2多面体相连而成。JU103具有二维的交叉8元环孔道,单晶结构分析表明骨架孔道中有大量的水分子及Na离子。由于孔道中大量水分子的存在,JU103具有很高的电导率,在室温98%的相对湿度下可达到3.59×10-3 S cm-1,在333K水中,JU103电导率最高可达到9.45×10-3 S cm-1。在无有机模板剂水热合成条件下,在Al2O3–Si O2–Na2O–H2O体系中,合成出不同硅铝比的Na X和Na Y分子筛,元素分析表明,Na X和Na Y分子筛中均具有很高的Na含量和大量客体水分子。质子电导测试表明,在室温98%的相对湿度下,Na X分子筛电导率可达到3.99×10-3 S cm-1,Na Y分子筛电导率可达到4.87×10-3 S cm-1。在水中随着温度升高,Na Y分子筛电导率逐渐升高,在353K下电导率可提升至2.24×10-2 S cm-1。