本發(fā)明屬于無機材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種藍方石結(jié)構(gòu)硅酸鹽鈉離子導體及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著人類社會的發(fā)展以及工業(yè)化程度的進一步提高，開發(fā)高效、清潔、安全及經(jīng)濟的新型綠色能源成為了未來能源發(fā)展的必然趨勢。由于離子導體具有重要的理論和實際應用價值，已在很多應用領(lǐng)域發(fā)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(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)域的應用備受關(guān)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(zhì)隔膜，從而使可燃氣體與氧氣經(jīng)電化學方法發(fā)生反應轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋Ｓ醚趸喓推渌祀x子導體制成的氣體探測器，不僅可以控制汽車發(fā)動機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)境保護作出貢獻。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)備上獲得應用。
鈉離子導體作為快離子導體(固體電解質(zhì))中的一種應用，近年來備受關(guān)注。Nasicon結(jié)構(gòu)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，鈉離子處于間隙位置，但由于它在高溫時不耐鈉腐蝕，應用受到限制。由于Nasicon結(jié)構(gòu)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(tǒng)稱為Nasicon型鈉離子導體。由于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(jié)構(gòu)來判斷其他結(jié)構(gòu)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(wěn)定性及化學穩(wěn)定性、大規(guī)模生產(chǎn)的可操作性等特點。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種用于鈉離子導體的藍方石結(jié)構(gòu)硅酸鹽Sr2Na6Al6Si6O24(SO4)2及其制備方法。
本發(fā)明涉及的用于鈉離子導體的藍方石結(jié)構(gòu)硅酸鹽的化學表示式為:Sr2Na6Al6Si6O24(SO4)2。
所述硅酸鹽的制備方法具體步驟為：
(1)將SrCO3、Na2CO3、Al2O3、Si2O和(NH4)2SO4的原始粉末按Sr2Na6Al6Si6O24(SO4)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，混合均勻磨細，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，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個小時，混合均勻磨細，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1200-1250℃燒結(jié)，保溫4小時后，自然冷卻至室溫，得到硅酸鹽Sr2Na6Al6Si6O24(SO4)2。
本發(fā)明的優(yōu)點：通過本制備方法得到的藍方石結(jié)構(gòu)硅酸鹽Sr2Na6Al6Si6O24(SO4)2具有較高的離子導電性、使用溫度下具有較高的熱穩(wěn)定性及化學穩(wěn)定性；在燒結(jié)溫度下結(jié)構(gòu)保持不變，在室溫時電導率為10-4S/cm，是一種優(yōu)良的鈉離子導體材料。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)材料的濕化學法制備工藝，本方法更適合工業(yè)生產(chǎn)與應用。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步的說明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員了解，下述實施例不是對發(fā)明保護范圍的限制，任何在本發(fā)明基礎(chǔ)上的改進和變化都在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
實施例1：
(1)將SrCO3、Na2CO3、Al2O3、Si2O和(NH4)2SO4的原始粉末按Sr2Na6Al6Si6O24(SO4)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，混合均勻磨細，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，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個小時，混合均勻磨細，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小時后，自然冷卻至室溫，得到硅酸鹽Sr2Na6Al6Si6O24(SO4)2。
本實施例所得到的藍方石結(jié)構(gòu)硅酸鹽Sr2Na6Al6Si6O24(SO4)2，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)阻抗分析儀測定其交流阻抗。測定結(jié)果發(fā)現(xiàn)其室溫下的離子電導率為4.94×10-4S/cm。
實施例2：
(1)將SrCO3、Na2CO3、Al2O3、Si2O和(NH4)2SO4的原始粉末按Sr2Na6Al6Si6O24(SO4)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，混合均勻磨細，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，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個小時，混合均勻磨細，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1230℃燒結(jié)，保溫4小時后，自然冷卻至室溫，得到硅酸鹽Sr2Na6Al6Si6O24(SO4)2。
本實施例所得到的藍方石結(jié)構(gòu)硅酸鹽Sr2Na6Al6Si6O24(SO4)2，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)阻抗分析儀測定其交流阻抗。測定結(jié)果發(fā)現(xiàn)其室溫下的離子電導率為5.77×10-4S/cm。
實施例3：
(1)將SrCO3、Na2CO3、Al2O3、Si2O和(NH4)2SO4的原始粉末按Sr2Na6Al6Si6O24(SO4)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，混合均勻磨細，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，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個小時，混合均勻磨細，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1250℃燒結(jié)，保溫4小時后，自然冷卻至室溫，得到硅酸鹽Sr2Na6Al6Si6O24(SO4)2。
本實施例所得到的藍方石結(jié)構(gòu)硅酸鹽Sr2Na6Al6Si6O24(SO4)2，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)阻抗分析儀測定其交流阻抗。測定結(jié)果發(fā)現(xiàn)其室溫下的離子電導率為5.33×10-4S/cm。
由于鈉離子、鉀離子和鋰離子在快離子導體中經(jīng)常作為遷移離子，因此在本申請的實驗條件下，制備Sr2Li6Al6Si6O24(SO4)2和Sr2K6Al6Si6O24(SO4)2陶瓷片，并在相同條件下測試其電導率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)二者因熱穩(wěn)定性差而產(chǎn)生電子電導，而且產(chǎn)生雜質(zhì)無法作為鈉離子導體。