本發(fā)明屬于無機(jī)材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鈮酸鹽快離子導(dǎo)體及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著人類社會的發(fā)展以及工業(yè)化程度的進(jìn)一步提高，開發(fā)高效、清潔、安全及經(jīng)濟(jì)的新型綠色能源成為了未來能源發(fā)展的必然趨勢。由于離子導(dǎo)體具有重要的理論和實際應(yīng)用價值，已在很多應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展成為很有價值的材料或器件。作為離子導(dǎo)體中的一種材料，快離子導(dǎo)體材料，也稱固體電解質(zhì)，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(lǐng)域的應(yīng)用備受關(guān)注。比如氧離子導(dǎo)體和氫離子導(dǎo)體都可用作燃料電池的電解質(zhì)隔膜，從而使可燃?xì)怏w與氧氣經(jīng)電化學(xué)方法發(fā)生反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。用氧化鋯和其它快離子導(dǎo)體制成的氣體探測器，不僅可以控制汽車發(fā)動機(jī)和鍋爐燃燒室的燃燒過程以節(jié)約燃料和減少污染，而且還可以監(jiān)測一些有害氣體從而對環(huán)境保護(hù)作出貢獻(xiàn)。用na-β-al2o3作電解質(zhì)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(dǎo)體制作的固體電池具有自放電小、貯存壽命長和抗振動等優(yōu)點，已在心臟起搏器電子手表、計算器和一些軍用設(shè)備上獲得應(yīng)用。
高溫燃料電池作為快離子導(dǎo)體(固體電解質(zhì))中的一種應(yīng)用，近年來備受關(guān)注。高溫燃料電池也稱固體氧化物燃料電池，它們大多為基于氧空位機(jī)理的高對稱的八面體和立方結(jié)構(gòu)，如螢石基、鈣鈦礦基、bi2o3基等固體電解質(zhì)材料，但近年來，人們在低對稱結(jié)構(gòu)體系(如四面體、立方體、單斜等)中也尋找到高電導(dǎo)率的電解質(zhì)材料，如黃長石結(jié)構(gòu)體系，磷灰石結(jié)構(gòu)體系，白鎢礦結(jié)構(gòu)等體系材料，而且導(dǎo)電機(jī)理不局限于氧空位。另外，在已報道的固體電解質(zhì)材料來看，普遍存在實用性能差的缺點，主要體現(xiàn)在：一、工作溫度過高，啟動時間長，器件各組分間化學(xué)和力學(xué)兼容性差；二、導(dǎo)電率低；只能在800-1000℃高溫下使用；三、還原氣氛下某些元素如ce部分還原成ce3+，致使產(chǎn)生電子導(dǎo)電，甚至某些固體電解質(zhì)材料在還原氣氛下易分解；四、某些元素如ga的揮發(fā)，而且工藝復(fù)雜，組件間化學(xué)兼容性差。由此可見，在理論上，人們難以通過結(jié)構(gòu)來判斷化合物是否具備作為快離子導(dǎo)體的應(yīng)用；在實際應(yīng)用上，人們難以找到具有實用的快離子導(dǎo)體材料，即具備較高的離子導(dǎo)電性、較低的工作溫度(500℃左右)、使用溫度下較高的熱穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性、大規(guī)模生產(chǎn)的可操作性等特點。目前鈮氧八面體構(gòu)成的鈮酸鹽作為快離子導(dǎo)體鮮有報道，如能在鈮酸鹽體系中開發(fā)出新型快離子導(dǎo)體將是重要發(fā)現(xiàn)。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種用于快離子導(dǎo)體的鈮酸鹽sr3li6nb2o11及其制備方法。
本發(fā)明涉及的用于快離子導(dǎo)體的鈮酸鹽的化學(xué)表示式為:sr3li6nb2o11。
所述鈮酸鹽的制備方法具體步驟為：
(1)將li2co3、srco3和nb2o5的原始粉末按sr3li6nb2o11的組成稱量配料并放入球磨罐中，加入直徑為7mm的氧化鋯球和去離子水，球磨2小時，混合均勻磨細(xì)，取出烘干得到粉末原料；
(2)將步驟(1)烘干后的粉末原料壓成柱狀樣品，置于陶瓷承燒板上，用坩堝罩住樣品，然后置于管式爐中，600℃煅燒，保溫2小時，然后從600℃的管式爐中用鉗子夾住承燒板并快速取出，使陶瓷承燒板上，坩堝內(nèi)的樣品快速冷卻，冷卻至室溫后搗碎研磨成粉末；
(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里球磨15個小時，混合均勻磨細(xì)，得到粉末原料；
(4)將步驟(3)球磨后的粉末原料冷等靜壓20mpa成型為直徑1.3cm，厚度0.3cm的圓片，然后在馬弗爐中650-700℃燒結(jié)，保溫6小時后，自然冷卻至室溫，得到鈮酸鹽sr3li6nb2o11。
本發(fā)明的優(yōu)點：通過本制備方法得到的鈮酸鹽sr3li6nb2o11具有較高的離子導(dǎo)電性、使用溫度下具有較高的熱穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性；在燒結(jié)溫度下結(jié)構(gòu)保持不變，在300-500℃時電導(dǎo)率為10-3～10-2s/cm，是一種優(yōu)良的快離子導(dǎo)體材料。另外制備方法簡單、合成溫度低，綠色環(huán)保成本低，相對于其他固體電解質(zhì)材料的濕化學(xué)法制備工藝，本方法更適合工業(yè)生產(chǎn)與應(yīng)用。
附圖說明
圖1為sr3li6nb2o11樣品的晶體結(jié)構(gòu)圖。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員了解，下述實施例不是對發(fā)明保護(hù)范圍的限制，任何在本發(fā)明基礎(chǔ)上的改進(jìn)和變化都在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
實施例1：
(1)將li2co3、srco3和nb2o5的原始粉末按sr3li6nb2o11的組成稱量配料并放入球磨罐中，加入直徑為7mm的氧化鋯球和去離子水，球磨2小時，混合均勻磨細(xì)，取出烘干得到粉末原料；
(2)將步驟(1)烘干后的粉末原料壓成柱狀樣品，置于陶瓷承燒板上，用坩堝罩住樣品，然后置于管式爐中，600℃煅燒，保溫2小時，然后從600℃的管式爐中用鉗子夾住承燒板并快速取出，使陶瓷承燒板上，坩堝內(nèi)的樣品快速冷卻，冷卻至室溫后搗碎研磨成粉末；
(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里球磨15個小時，混合均勻磨細(xì)，得到粉末原料；
(4)將步驟(3)球磨后的粉末原料冷等靜壓20mpa成型為直徑1.3cm，厚度0.3cm的圓片，然后在馬弗爐中650℃燒結(jié)，保溫6小時后，自然冷卻至室溫，得到鈮酸鹽sr3li6nb2o11。
本實施例所得到的鈮酸鹽sr3li6nb2o11，在兩底面涂上金膠，在550℃下燒結(jié)1小時。使用solartron1260(英國solartron公司)阻抗分析儀在不同溫度下測定其交流阻抗。測定結(jié)果為300℃時電導(dǎo)率達(dá)到7.66×10-3s/cm，在500℃時電導(dǎo)率快速升到5.24×10-2s/cm。
實施例2：
(1)將li2co3、srco3和nb2o5的原始粉末按sr3li6nb2o11的組成稱量配料并放入球磨罐中，加入直徑為7mm的氧化鋯球和去離子水，球磨2小時，混合均勻磨細(xì)，取出烘干得到粉末原料；
(2)將步驟(1)烘干后的粉末原料壓成柱狀樣品，置于陶瓷承燒板上，用坩堝罩住樣品，然后置于管式爐中，600℃煅燒，保溫2小時，然后從600℃的管式爐中用鉗子夾住承燒板并快速取出，使陶瓷承燒板上，坩堝內(nèi)的樣品快速冷卻，冷卻至室溫后搗碎研磨成粉末；
(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里球磨15個小時，混合均勻磨細(xì)，得到粉末原料；
(4)將步驟(3)球磨后的粉末原料冷等靜壓20mpa成型為直徑1.3cm，厚度0.3cm的圓片，然后在馬弗爐中680℃燒結(jié)，保溫6小時后，自然冷卻至室溫，得到鈮酸鹽sr3li6nb2o11。
本實施例所得到的鈮酸鹽sr3li6nb2o11，在兩底面涂上金膠，在550℃下燒結(jié)1小時。使用solartron1260(英國solartron公司)阻抗分析儀在不同溫度下測定其交流阻抗。測定結(jié)果為300℃時電導(dǎo)率達(dá)到8.56×10-3s/cm，在500℃時電導(dǎo)率快速升到5.74×10-2s/cm。
實施例3：
(1)將li2co3、srco3和nb2o5的原始粉末按sr3li6nb2o11的組成稱量配料并放入球磨罐中，加入直徑為7mm的氧化鋯球和去離子水，球磨2小時，混合均勻磨細(xì)，取出烘干得到粉末原料；
(2)將步驟(1)烘干后的粉末原料壓成柱狀樣品，置于陶瓷承燒板上，用坩堝罩住樣品，然后置于管式爐中，600℃煅燒，保溫2小時，然后從600℃的管式爐中用鉗子夾住承燒板并快速取出，使陶瓷承燒板上，坩堝內(nèi)的樣品快速冷卻，冷卻至室溫后搗碎研磨成粉末；
(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里球磨15個小時，混合均勻磨細(xì)，得到粉末原料；
(4)將步驟(3)球磨后的粉末原料冷等靜壓20mpa成型為直徑1.3cm，厚度0.3cm的圓片，然后在馬弗爐中700℃燒結(jié)，保溫6小時后，自然冷卻至室溫，得到鈮酸鹽sr3li6nb2o11。
本實施例所得到的鈮酸鹽sr3li6nb2o11，在兩底面涂上金膠，在550℃下燒結(jié)1小時。使用solartron1260(英國solartron公司)阻抗分析儀在不同溫度下測定其交流阻抗。測定結(jié)果為300℃時電導(dǎo)率達(dá)到8.41×10-3s/cm，在500℃時電導(dǎo)率快速升到5.21×10-2s/cm。
由于鈉離子和鋰離子在快離子導(dǎo)體中經(jīng)常作為遷移離子，又考慮到sr和ba，nb和ta具有類似的化學(xué)性質(zhì)，因此在本申請的實驗條件下，制備sr3na6nb2o11、ba3li6nb2o11以及sr3li6ta2o11陶瓷片，并在相同條件下測試其電導(dǎo)率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)只有sr3li6ta2o11具有最高的電導(dǎo)率3.16×10-5s/cm，而ba3li6nb2o11和sr3na6nb2o11因熱穩(wěn)定性差而產(chǎn)生電子電導(dǎo)，無法作為快離子導(dǎo)體。