一種藍方石結構鉬基矽酸鹽及其製備方法與流程
2023-05-09 05:40:51
本發明屬於無機材料技術領域，具體涉及一種藍方石結構鉬基矽酸鹽鈉離子導體及其製備方法。
背景技術：
隨著人類社會的發展以及工業化程度的進一步提高，開發高效、清潔、安全及經濟的新型綠色能源成為了未來能源發展的必然趨勢。由於離子導體具有重要的理論和實際應用價值，已在很多應用領域發展成為很有價值的材料或器件。作為離子導體中的一種材料，快離子導體材料，也稱固體電解質，在高性能儲能裝置、燃料電池新能源材料、鈉硫電池及氧分析器等領域的應用備受關注。比如氧離子導體和氫離子導體都可用作燃料電池的電解質隔膜，從而使可燃氣體與氧氣經電化學方法發生反應轉變為電能。用氧化鋯和其它快離子導體製成的氣體探測器，不僅可以控制汽車發動機和鍋爐燃燒室的燃燒過程以節約燃料和減少汙染，而且還可以監測一些有害氣體從而對環境保護作出貢獻。用na-β-al2o3作電解質的鈉-硫電池具有比鉛酸電池高4～5倍的能量密度，它既可用作車輛的動力源，也可作為貯能電池使用。用快離子導體製作的固體電池具有自放電小、貯存壽命長和抗振動等優點，已在心臟起搏器電子手錶、計算器和一些軍用設備上獲得應用。
鈉離子導體作為快離子導體(固體電解質)中的一種應用，近年來備受關注。nasicon結構鈉超離子導體，如na3zr2si2po12，其中zro6八面體和si(p)o4四面體以頂角相連，組成三維骨架，鈉離子處於間隙位置，但由於它在高溫時不耐鈉腐蝕，應用受到限制。由於nasicon結構中八面體和四面體的陽離子可被多種離子所取代，取代化合物統稱為nasicon型鈉離子導體。由於目前鈉離子導體的研究多集中在nasicon型鈉離子導體。由此可見，在理論上，人們難以通過結構來判斷其他結構化合物是否具備作為鈉離子導體的應用；在實際應用上，人們難以找到具有實用的鈉離子導體材料，即具備較高的離子導電性、使用溫度下較高的熱穩定性及化學穩定性、大規模生產的可操作性等特點。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種用於鈉離子導體的藍方石結構鉬基矽酸鹽ca2na6al6si6o24(moo4)2及其製備方法。
本發明涉及的用於鈉離子導體的藍方石結構鉬基矽酸鹽的化學表示式為:ca2na6al6si6o24(moo4)2。
所述矽酸鹽的製備方法具體步驟為：
(1)將caco3、na2co3、al2o3、si2o和moo3的原始粉末按ca2na6al6si6o24(moo4)2的組成稱量配料並放入球磨罐中，加入直徑為7mm的氧化鋯球，球磨4小時，混合均勻磨細，取出得到粉末原料；
(2)將步驟(1)球磨後的粉末原料壓成柱狀樣品，置於陶瓷承燒板上，用坩堝罩住樣品，然後置於管式爐中，1100℃煅燒，保溫2小時，然後從1100℃的管式爐中用鉗子夾住承燒板並快速取出，使陶瓷承燒板上，坩堝內的樣品快速冷卻，冷卻至室溫後搗碎研磨成粉末；
(3)將步驟(2)研磨所得的粉末放入球磨罐中，加入直徑分別為2mm和7mm的氧化鋯球，粉末和氧化鋯球在球磨罐裡球磨15個小時，混合均勻磨細，得到粉末原料；
(4)將步驟(3)球磨後的粉末原料冷等靜壓20mpa成型為直徑1.3cm，厚度0.3cm的圓片，然後在馬弗爐中1150-1200℃燒結，保溫4小時後，自然冷卻至室溫，得到矽酸鹽ca2na6al6si6o24(moo4)2。
本發明的優點：通過本製備方法得到的藍方石結構鉬基矽酸鹽ca2na6al6si6o24(moo4)2具有較高的離子導電性、使用溫度下具有較高的熱穩定性及化學穩定性；在燒結溫度下結構保持不變，在室溫時電導率為10-4s/cm，是一種優良的鈉離子導體材料。另外製備方法簡單、合成溫度低，綠色環保成本低，相對於其他固體電解質材料的溼化學法製備工藝，本方法更適合工業生產與應用。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明作進一步的說明，但本領域的技術人員了解，下述實施例不是對發明保護範圍的限制，任何在本發明基礎上的改進和變化都在本發明的保護範圍之內。
實施例1：
(1)將caco3、na2co3、al2o3、si2o和moo3的原始粉末按ca2na6al6si6o24(moo4)2的組成稱量配料並放入球磨罐中，加入直徑為7mm的氧化鋯球，球磨4小時，混合均勻磨細，取出得到粉末原料；
(2)將步驟(1)球磨後的粉末原料壓成柱狀樣品，置於陶瓷承燒板上，用坩堝罩住樣品，然後置於管式爐中，1100℃煅燒，保溫2小時，然後從1100℃的管式爐中用鉗子夾住承燒板並快速取出，使陶瓷承燒板上，坩堝內的樣品快速冷卻，冷卻至室溫後搗碎研磨成粉末；
(3)將步驟(2)研磨所得的粉末放入球磨罐中，加入直徑分別為2mm和7mm的氧化鋯球，粉末和氧化鋯球在球磨罐裡球磨15個小時，混合均勻磨細，得到粉末原料；
(4)將步驟(3)球磨後的粉末原料冷等靜壓20mpa成型為直徑1.3cm，厚度0.3cm的圓片，然後在馬弗爐中1150℃燒結，保溫4小時後，自然冷卻至室溫，得到矽酸鹽ca2na6al6si6o24(moo4)2。
本實施例所得到的藍方石結構鉬基矽酸鹽ca2na6al6si6o24(moo4)2，在兩底面塗上金膠，在550℃下燒結1小時。使用solartron1260(英國solartron公司)阻抗分析儀測定其交流阻抗。測定結果發現其室溫下的離子電導率為7.21×10-4s/cm。
實施例2：
(1)將caco3、na2co3、al2o3、si2o和moo3的原始粉末按ca2na6al6si6o24(moo4)2的組成稱量配料並放入球磨罐中，加入直徑為7mm的氧化鋯球，球磨4小時，混合均勻磨細，取出得到粉末原料；
(2)將步驟(1)球磨後的粉末原料壓成柱狀樣品，置於陶瓷承燒板上，用坩堝罩住樣品，然後置於管式爐中，1100℃煅燒，保溫2小時，然後從1100℃的管式爐中用鉗子夾住承燒板並快速取出，使陶瓷承燒板上，坩堝內的樣品快速冷卻，冷卻至室溫後搗碎研磨成粉末；
(3)將步驟(2)研磨所得的粉末放入球磨罐中，加入直徑分別為2mm和7mm的氧化鋯球，粉末和氧化鋯球在球磨罐裡球磨15個小時，混合均勻磨細，得到粉末原料；
(4)將步驟(3)球磨後的粉末原料冷等靜壓20mpa成型為直徑1.3cm，厚度0.3cm的圓片，然後在馬弗爐中1180℃燒結，保溫4小時後，自然冷卻至室溫，得到矽酸鹽ca2na6al6si6o24(moo4)2。
本實施例所得到的藍方石結構鉬基矽酸鹽ca2na6al6si6o24(moo4)2，在兩底面塗上金膠，在550℃下燒結1小時。使用solartron1260(英國solartron公司)阻抗分析儀測定其交流阻抗。測定結果發現其室溫下的離子電導率為7.73×10-4s/cm。
實施例3：
(1)將caco3、na2co3、al2o3、si2o和moo3的原始粉末按ca2na6al6si6o24(moo4)2的組成稱量配料並放入球磨罐中，加入直徑為7mm的氧化鋯球，球磨4小時，混合均勻磨細，取出得到粉末原料；
(2)將步驟(1)球磨後的粉末原料壓成柱狀樣品，置於陶瓷承燒板上，用坩堝罩住樣品，然後置於管式爐中，1100℃煅燒，保溫2小時，然後從1100℃的管式爐中用鉗子夾住承燒板並快速取出，使陶瓷承燒板上，坩堝內的樣品快速冷卻，冷卻至室溫後搗碎研磨成粉末；
(3)將步驟(2)研磨所得的粉末放入球磨罐中，加入直徑分別為2mm和7mm的氧化鋯球，粉末和氧化鋯球在球磨罐裡球磨15個小時，混合均勻磨細，得到粉末原料；
(4)將步驟(3)球磨後的粉末原料冷等靜壓20mpa成型為直徑1.3cm，厚度0.3cm的圓片，然後在馬弗爐中1200℃燒結，保溫4小時後，自然冷卻至室溫，得到矽酸鹽ca2na6al6si6o24(moo4)2。
本實施例所得到的藍方石結構鉬基矽酸鹽ca2na6al6si6o24(moo4)2，在兩底面塗上金膠，在550℃下燒結1小時。使用solartron1260(英國solartron公司)阻抗分析儀測定其交流阻抗。測定結果發現其室溫下的離子電導率為6.85×10-4s/cm。
由於鈉離子、鉀離子和鋰離子在快離子導體中經常作為遷移離子，因此在本申請的實驗條件下，製備ca2li6al6si6o24(moo4)2和ca2k6al6si6o24(moo4)2陶瓷片，並在相同條件下測試其電導率，結果發現二者因熱穩定性差而產生電子電導，而且產生雜質無法作為鈉離子導體。