本發(fā)明屬于無(wú)機(jī)材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種藍(lán)方石結(jié)構(gòu)鎢基硅酸鹽鈉離子導(dǎo)體及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著人類社會(huì)的發(fā)展以及工業(yè)化程度的進(jìn)一步提高，開(kāi)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(lái)能源發(fā)展的必然趨勢(shì)。由于離子導(dǎo)體具有重要的理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，已在很多應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展成為很有價(jià)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(chǔ)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(cè)器，不僅可以控制汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和鍋爐燃燒室的燃燒過(guò)程以節(jié)約燃料和減少污染，而且還可以監(jiān)測(cè)一些有害氣體從而對(duì)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(dòng)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(zhǎng)和抗振動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，已在心臟起搏器電子手表、計(jì)算器和一些軍用設(shè)備上獲得應(yīng)用。
鈉離子導(dǎo)體作為快離子導(dǎo)體(固體電解質(zhì))中的一種應(yīng)用，近年來(lái)備受關(guān)注。nasicon結(jié)構(gòu)鈉超離子導(dǎo)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，鈉離子處于間隙位置，但由于它在高溫時(shí)不耐鈉腐蝕，應(yīng)用受到限制。由于nasicon結(jié)構(gòu)中八面體和四面體的陽(yáng)離子可被多種離子所取代，取代化合物統(tǒng)稱為nasicon型鈉離子導(dǎo)體。由于目前鈉離子導(dǎo)體的研究多集中在nasicon型鈉離子導(dǎo)體。由此可見(jiàn)，在理論上，人們難以通過(guò)結(jié)構(gòu)來(lái)判斷其他結(jié)構(gòu)化合物是否具備作為鈉離子導(dǎo)體的應(yīng)用；在實(shí)際應(yīng)用上，人們難以找到具有實(shí)用的鈉離子導(dǎo)體材料，即具備較高的離子導(dǎo)電性、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(diǎn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種用于鈉離子導(dǎo)體的藍(lán)方石結(jié)構(gòu)鎢基硅酸鹽ca2na6al6si6o24(wo4)2及其制備方法。
本發(fā)明涉及的用于鈉離子導(dǎo)體的藍(lán)方石結(jié)構(gòu)鎢基硅酸鹽的化學(xué)表示式為:ca2na6al6si6o24(wo4)2。
所述硅酸鹽的制備方法具體步驟為：
(1)將caco3、na2co3、al2o3、si2o和wo3的原始粉末按ca2na6al6si6o24(wo4)2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，球磨4小時(shí)，混合均勻磨細(xì)，取出得到粉末原料；
(2)將步驟(1)球磨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，1100℃煅燒，保溫2小時(shí)，然后從1100℃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(gè)小時(shí)，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1150-1200℃燒結(jié)，保溫4小時(shí)后，自然冷卻至室溫，得到硅酸鹽ca2na6al6si6o24(wo4)2。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)本制備方法得到的藍(lán)方石結(jié)構(gòu)鎢基硅酸鹽ca2na6al6si6o24(wo4)2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，在室溫時(shí)電導(dǎo)率為10-4s/cm，是一種優(yōu)良的鈉離子導(dǎo)體材料。另外制備方法簡(jiǎn)單、合成溫度低，綠色環(huán)保成本低，相對(duì)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。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員了解，下述實(shí)施例不是對(duì)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(shí)施例1：
(1)將caco3、na2co3、al2o3、si2o和wo3的原始粉末按ca2na6al6si6o24(wo4)2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，球磨4小時(shí)，混合均勻磨細(xì)，取出得到粉末原料；
(2)將步驟(1)球磨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，1100℃煅燒，保溫2小時(shí)，然后從1100℃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(gè)小時(shí)，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1150℃燒結(jié)，保溫4小時(shí)后，自然冷卻至室溫，得到硅酸鹽ca2na6al6si6o24(wo4)2。
本實(shí)施例所得到的藍(lán)方石結(jié)構(gòu)鎢基硅酸鹽ca2na6al6si6o24(wo4)2，在兩底面涂上金膠，在550℃下燒結(jié)1小時(shí)。使用solartron1260(英國(guó)solartron公司)阻抗分析儀測(cè)定其交流阻抗。測(cè)定結(jié)果發(fā)現(xiàn)其室溫下的離子電導(dǎo)率為5.19×10-4s/cm。
實(shí)施例2：
(1)將caco3、na2co3、al2o3、si2o和wo3的原始粉末按ca2na6al6si6o24(wo4)2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，球磨4小時(shí)，混合均勻磨細(xì)，取出得到粉末原料；
(2)將步驟(1)球磨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，1100℃煅燒，保溫2小時(shí)，然后從1100℃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(gè)小時(shí)，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1180℃燒結(jié)，保溫4小時(shí)后，自然冷卻至室溫，得到硅酸鹽ca2na6al6si6o24(wo4)2。
本實(shí)施例所得到的藍(lán)方石結(jié)構(gòu)鎢基硅酸鹽ca2na6al6si6o24(wo4)2，在兩底面涂上金膠，在550℃下燒結(jié)1小時(shí)。使用solartron1260(英國(guó)solartron公司)阻抗分析儀測(cè)定其交流阻抗。測(cè)定結(jié)果發(fā)現(xiàn)其室溫下的離子電導(dǎo)率為5.84×10-4s/cm。
實(shí)施例3：
(1)將caco3、na2co3、al2o3、si2o和wo3的原始粉末按ca2na6al6si6o24(wo4)2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，球磨4小時(shí)，混合均勻磨細(xì)，取出得到粉末原料；
(2)將步驟(1)球磨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，1100℃煅燒，保溫2小時(shí)，然后從1100℃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(gè)小時(shí)，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1200℃燒結(jié)，保溫4小時(shí)后，自然冷卻至室溫，得到硅酸鹽ca2na6al6si6o24(wo4)2。
本實(shí)施例所得到的藍(lán)方石結(jié)構(gòu)鎢基硅酸鹽ca2na6al6si6o24(wo4)2，在兩底面涂上金膠，在550℃下燒結(jié)1小時(shí)。使用solartron1260(英國(guó)solartron公司)阻抗分析儀測(cè)定其交流阻抗。測(cè)定結(jié)果發(fā)現(xiàn)其室溫下的離子電導(dǎo)率為5.27×10-4s/cm。
由于鈉離子、鉀離子和鋰離子在快離子導(dǎo)體中經(jīng)常作為遷移離子，因此在本申請(qǐng)的實(shí)驗(yàn)條件下，制備ca2li6al6si6o24(wo4)2和ca2k6al6si6o24(wo4)2陶瓷片，并在相同條件下測(cè)試其電導(dǎo)率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)二者因熱穩(wěn)定性差而產(chǎn)生電子電導(dǎo)，而且產(chǎn)生雜質(zhì)無(wú)法作為鈉離子導(dǎo)體。