Везде

ОХНМНеорганические материалы Inorganic Materials

  • ISSN (Print) 0002-337X
  • ISSN (Online) 3034-5588

ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТНЫЕ И СТРУКТУРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПОЗИЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ НА ОСНОВЕ ПЕНТАГИДРОДИФОСФАТА ЦЕЗИЯ

Вы можете
Код статьи
S3034558825060078-1
DOI
10.7868/S3034558825060078
Тип публикации
Статья
Статус публикации
Опубликовано
Авторы
Демакова Т.Д.
  • Аффилиация:
    Институт химии твердого тела и механохимии СО Российской академии наук
    Новосибирский государственный университет
Пономарева В.Г.
  • Аффилиация: Институт химии твердого тела и механохимии СО Российской академии наук
Том/ Выпуск
Том 61 / Номер выпуска 11-12
Страницы
743-755
Аннотация
Изучена возможность создания композиционных протонных электролитов при введении добавки наноалмаза (НА) к пентагидродифосфату цезия. Рассмотрены изменения структурных свойств соли в композите, морфологии, протонной проводимости в зависимости от состава для (1 – x)CsH(PO) – xHA (x – мольная доля) в широкой области составов (x = 0–0.99). Показано, что химическое взаимодействие между компонентами отсутствует и структура CsH(PO) (P2/c) с увеличением доли НА сохраняется при диспергировании и частичной аморфизации соли. С помощью ИК-спектроскопии получена информация о механизме образования композиционных электролитов, обусловленном частичным связыванием протонов соли с поверхностными гидроксогруппами ОН- НА. Это приводит к образованию более слабой сетки водородных связей в CsH(PO). Показано равномерное распределение частиц соли в композитах и уменьшение размера частиц в результате межфазного поверхностного взаимодействия компонентов. Энтальпия плавления CsH(PO) снижается непропорционально содержанию соли с ростом доли НА вследствие увеличения доли аморфной фазы в композитах. Наблюдается значительный рост протонной проводимости CsH(PO) в композитах до двух порядков величины с максимумом при x = 0.9 и ее снижение при x > 0.95 вследствие эффекта перколяции “проводник–изолятор”. Энергия активации проводимости композитов снижается незначительно. Исследуемые композиты обладают относительно высокой протонной проводимостью в области средних температур и химической стабильностью, что создает перспективу для их использования в качестве протонных мембран электрохимических устройств.
Ключевые слова
пентагидродифосфат цезия наноалмаз композиционные электролиты протонная проводимость
Дата публикации
01.04.2025
Год выхода
2025
Всего подписок
0
Всего просмотров
15

Библиография

  1. 1. Colomban P. Proton conductors: Solids, membranes and gels-materials and devices. Cambridge Univ. Press, 1992.
  2. 2. Баранов А.И. Кристаллы с разупорядоченными сетками водородных связей и суперпротонная проводимость (ОБЗОР) // Кристаллография. 2003. Т. 48. № 6. С. 1081–1096.
  3. 3. Matsunaga H., Itoh K., Nakamura E. X-ray structural study of ferroelectric cesium dihydrogen phosphate at room temperature // J. Phys. Soc. Jpn. 1980. V. 48. No. 6. P. 2011–2014. https://doi.org/10.1143/JPSJ.48.2011
  4. 4. Boysen D.A., Uda T., Chisholm C.R.I., Haile S.M. High-performance solid acid fuel cells through humidity stabilization // Science. 2004. V. 303. No. 5654. P. 68–70. https://doi.org/10.1126/science.1090920
  5. 5. Haile S.M., Chisholm C.R.I., Sasaki K., Boysen D.A., Uda T. Solid acid proton conductors: from laboratory curiosities to fuel cell electrolytes // Faraday Discuss. 2007. V. 134. P. 17–39. https://doi.org/10.1039/B604311A
  6. 6. Uda T., Haile S.M. Thin-Membrane Solid-Acid Fuel Cell // Electrochem. Solid State Lett. 2005. V. 8. No. 5. P. A245–A246. https://doi.org/10.1149/1.1883874
  7. 7. Пономарева В.Г., Шутова Е.С., Лаврова Г.В. Электропроводность и термическая стабильность композитов (1 − x)CsH2PO4/xSiPyOz (x = 0.2–0.7) // Неорган. материалы. 2008. Т. 44. № 9. С. 1131–1136. https://doi.org/10.1134/S0020168508090185
  8. 8. Singh D., Singh J., Kumar P., Veer D., Kumar D., Katiyar R.S., Kumar A. The Influence of TiO2 on the proton conduction and thermal stability of CsH2PO4 composite electrolytes // S. Afr. J. Chem. Eng. 2023. V. 37. P. 227–236. https://doi.org/10.1016/j.sajce.2021.06.006
  9. 9. Ponomareva V., Lavrova G. Controlling the proton transport properties of solid acids via structural and microstructural modification // J. Solid State Electrochem. 2011. V. 15. P. 213–221. https://doi.org/10.1007/s10008-010-1227-1
  10. 10. Лаврова Г.В., Шутова Е.С., Пономарева В.Г., Дунюшкина Л.А. Протонная проводимость и межфазное взаимодействие в композитах CsH2PO4-SrZrO3 // Электрохимия. 2013. Т. 49. № 7. С. 801–807. https://doi.org/10.1134/S1023193513070094
  11. 11. Jensen A.H., Li Q., Christensen E., Bjerrum N.J. Intermediate temperature fuel cell using CsH2PO4/ZrO2-based composite electrolytes // J. Electrochem. Soc. 2014. V. 161. No. 1. P. F72–F76. https://doi.org/10.1149/2.063401jes
  12. 12. Anfimova T., Jensen A.H., Christensen E., Jensen J.O., Bjerrum N.J., Li Q. CsH2PO4/NdPO4 Composites as Proton Conducting Electrolytes for Intermediate Temperature Fuel Cells // J. Electrochem Soc. 2015. V. 162. No. 4. P. F436–F441. https://doi.org/10.1149/2.0671504jes
  13. 13. Пономарева В.Г. Мембраны и мембранные технологии / Под ред. А.Б. Ярославцева. М.: Научный мир, 2013. С. 169–219.
  14. 14. Leal J.H., Martinez H., Martinez I., Price A.D., Goos A.G., Botez C.E. Stability of the superprotonic conduction of (1 – x)CsH2PO4/xSiO2 (0 ≤ x ≤ 0.3) composites under dry and humid environments // Mater. Today Commun. 2018. V. 15. P. 11–17. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2018.02.021
  15. 15. Ponomareva V.G., Shutova E.S., Kovalenko K.A., Fedin V.P. New type of nanocomposite CsH2PO4-UiO-66 electrolyte with high proton conductivity // Molecules. 2022. V. 27. P. 8387. https://doi.org/10.3390/molecules27238387
  16. 16. Ефремов В.А., Трунов В.К., Мацичек И., Гудиница Э.Н., Факеев А.А. О неравноценности H-атомов в кристаллах CsH 5(PO4)2 // Журн. неорган. химии. 1981. Т. 26. № 12. С. 3213–3216.
  17. 17. Lavrova G.V., Burgina E.B., Matvienko A.A., Ponomareva V.G. Bulk and surface properties of ionic salt CsH5(PO4)2 // Solid State Ionics. 2006. V. 177. P. 1117–1122. https://doi.org/10.1016/j.ssi.2006.05.001
  18. 18. Lavrova G.V., Ponomareva V.G. Surface and Bulk Conduction and Thermodynamic Properties of Ionic Salt CsH 5(PO4)2 // Russ. J. Electrochem. 2007. V. 43. P. 454–461. https://doi.org/10.1134/S1023193507040131
  19. 19. Lavrova G.V., Ponomareva V.G. Intermediate-temperature composite proton electrolyte CsH5(PO4)2/SiO2: transport properties versus oxide characteristic // Solid State Ionics. 2008. V. 179. P. 1170–1173. https://doi.org/10.1016/j.ssi.2008.01.003
  20. 20. Gus’kov R.D., Ponomareva V.G. New high-conducting hybrid CsH5(PO4)2-butvar compounds // Inorg. Chem. Commun. 2021. V. 133. P. 08878. https://doi.org/10.1016/j.inoche.2021.108878
  21. 21. Xiong J., Huang Y., Li J., Ma L., Xu G., Liu Z., Cai W., Cheng H. A novel thermomechanically stable LaF3–CsH5(PO4)2 composite electrolyte with high proton conductivity at elevated temperatures over 150°C // J. Energy Chem. 2019. V. 30. P. 114–120. https://doi.org/10.1016/j.jechem.2018.04.006
  22. 22. Qing G., Kikuchi R. Interfacial interaction and melting point depression of CsH5(PO4)2 in CsH5(PO4)2/SiO2 composites // Solid State Ionics. 2016. V. 289. P. 133–142. https://doi.org/10.1016/j.ssi.2016.03.013
  23. 23. Chen X., Zhang Y., Ribeiorinha P., Li H., Konga X., Boaventura M. A proton conductor electrolyte based on molten CsH5(PO4)2 for intermediate-temperature fuel cells // RSC Adv. 2018. V. 8. P. 5225–5232. https://doi.org/10.1039/C7RA12803G
  24. 24. Qing G., Kikuchi R., Takagaki A., Sugawara T., Oyama S.T. CsH5(PO4)2 doped glass membranes for intermediate temperature fuel cells // J. Power Sources. 2014. V. 272. P. 1018–1029. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2014.09.025
  25. 25. Muroyama H., Matsui T., Kikuchi R., Eguchi K. Influence of the Supporting Matrix on the Electrochemical Properties of CsH5(PO4)2 Composites at Intermediate Temperatures // J. Phys. Chem. C. 2008. V. 112. No. 39. P. 15532–15536. https://doi.org/10.1021/jp8043362
  26. 26. Dolmatov V.Yu., Veretennikova M.V., Marchukov V.A., Sushchev V.G. Currently available methods of industrial nanodiamond synthesis // Phys. Solid State. 2004. V. 46. No. 4. P. 611–615. https://doi.org/10.1134/1.1711434
  27. 27. Vul A.Ya., Aleksenskiy A.E., Dideykin A.T. Detonation nanodiamonds: technology properties and applications. Nanosciences and Nanotechnologies, Ed. Kharkin V.N., Bai C., Kim S.-C. // Encyclopedia of Life Support Systems (EOLSS) Developed under the Auspices of the UNESCO Eolss Publishers Oxford UK, 2009.
  28. 28. Сакович Г.В., Жарков А.С., Петров Е.А. Детонационные наноалмазы. Синтез, свойства, применение // Наука и технологии в промышленности. 2011. № 4. С. 53–61.
  29. 29. Mochalin V.N., Shenderova O., Ho D., Gogotsi Y. The properties and applications of nanodiamonds // Nat. Nanotechnol. 2011. V. 7. P. 11–23. https://doi.org/10.1038/nnano.2011.209
  30. 30. Qin J.-X., Yang X.-G., Lv C.-F., Li Y.-Z., Liu K.-K., Zang J.-H., Yang X., Dong L., Shan C.-X. Nanodiamonds: Synthesis properties and applications in nanomedicine // Mater. Des. 2021. V. 210. P. 110091. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.110091
  31. 31. Piña-Salazar E.Z., Sakai T., Osawa E., Futamura R., Kaneko K. Unusual hygroscopic nature of nanodiamonds in comparison with well-known porous materials // J. Colloid Interface Sci. 2019. V. 549. P. 133–139. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2019.04.053
  32. 32. Mateyshina Y.G., Alekseev D.V., Uvarov N.F. Ionic Transport in CsNO2-Based Nanocomposites with Inclusions of Surface Functionalized Nanodiamonds // Nanomaterials. 2021. V. 11. No. 2. P. 414. https://doi.org/10.3390/nano11020414
  33. 33. Ponomareva V.G., Bagryantseva I.N., Shutova E.S. Novel nanocomposite systems based on cesium dihydrogen phosphate: Electrotransport structural, morphological and mechanical characteristics // Inorg. Chem. Commun. 2024. V. 162. P. 112256. https://doi.org/10.1016/j.inoche.2024.112256
  34. 34. Пономарева В.Г., Багрянцева И.Н., Шутова Е.С. Новые среднетемпературные нанокомпозиционные электролиты на основе дигидрофосфата цезия: сравнение протонной проводимости и структурных, морфологических, механических характеристик // Химия в интересах устойчивого развития. 2024. Т. 32. С. 655–664. https://doi.org/10.15372/KhUR2024598
  35. 35. Powder diffraction. American society for testing materials (A.S.T.M.), card 34-130, 1983.
  36. 36. Maier J. Composite electrolytes // Mater. Chem. Phys. 1987. V. 17. No. 5. P. 485–498. https://doi.org/10.1016/0254-0584 (87)90098-8
  37. 37. Уваров Н.Ф. Композиционные твердые электролиты. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2008. 254 с.
  38. 38. Ярославцев А.Б. Композиционные материалы с ионной проводимостью – от неорганических композитов до гибридных мембран // Успехи химии. 2009. Т. 78. № 11. С. 1094–1112. https://doi.org/10.1070/RC2009v078n11ABEH004066
  39. 39. Ponomareva V., Bagryantseva I., Dormidonova D., Uvarov N. Stabilization of the (C2H5)4NHSO4 High-Temperature Phase in New Silica-Based Nanocomposite Systems // Molecules. 2022. V. 27. No. 24. P. 8805. https://doi.org/10.3390/molecules27248805
  40. 40. Jiang T., Xu K. FTIR study of ultradispersed diamond powder synthesized by explosive detonation // Carbon. 1995. V. 33. No. 12. P. 1663–1671. https://doi.org/10.1016/0008-6223 (95)00115-1
  41. 41. Petit T., Puskar L., Dolenko T., Choudhury S., Ritter E., Burikov S., Aziz E.F. Unusual water hydrogen bond network around hydrogenated nanodiamonds // J. Phys. Chem. C. 2017. V. 121. No. 9. P. 5185–5194. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.7b00721
  42. 42. Marchon B., Novak A. Vibrational study of CsH2PO4 and CsD2PO4 single crystals // J. Chem. Phys. 1983. V. 78. P. 2105–2120. https://doi.org/10.1063/1.445073
QR
Перевести

Индексирование

Scopus

Scopus

Scopus

Crossref

Scopus

Высшая аттестационная комиссия

При Министерстве образования и науки Российской Федерации

Scopus

Научная электронная библиотека