Курсовая теория на тему Протонные проводники

Содержание:

Введение. 2

1. Гетерополикислоты.. 4

2. Nafion. 6

3. Смешанные проводники и
перовскиты.. 8

4.Кислые соли. 10

5. Топливные элементы.. 11

6.
Низкотемпературные полимерные мембранные топливные элементы.. 17

Заключение. 19

Введение:

Научный интерес к явлению протонной проводимости связан с уникальностью
иона водорода как подвижного носителя заряда: малым ионным радиусом и массой,
отсутствием электронной оболочки.

Область возможного практического применения твердых протонных проводников
чрезвычайно широка, на основе протонных проводников создаются высокоэффективные
и экологически чистые источники энергии, сенсоры, реакторы, электрохромные
устройства.

Интерес представляет исследование низкотемпературных протонных
проводников – соединений обладающих высокой протонной проводимостью при
температурах, близких к комнатной.

Изучение механизма протонного транспорта в этих материалах усложняется
одновременным влиянием на них их физико — химические свойства многих факторов.

Параметры транспорта определяются особенностями кристаллической и
микроструктуры и зависят от внешних условий: температуры, влажности и т.д.

Создание новых электрохимических твердотельных устройств требует
разработки новых материалов, в которых эффективная высокая протонная
проводимость сохраняется в широком диапазоне температур, влажности окружающей
среды и величины прикладываемого потенциала.

Кроме того, имеется и ряд других требований, обусловленных спецификой
того или иного процесса  или  устройства. В связи с этим идет  непрерывный процесс усовершенствования
существующих составов твердых электролитов.

Быстрое улучшение качества перовскитных солнечных элементов сделало их
восходящей звездой в мире фотоэлектрических систем и вызвало огромный интерес в
академическом сообществе. Поскольку их методы работы все еще относительно новы,
есть большие возможности для дальнейших исследований в области фундаментальной
физики и химии перовскитов. Кроме того, как было показано за последние
несколько лет, инженерные усовершенствования составов перовскита и
производственных процедур привели к значительному повышению эффективности
преобразования энергии — последние устройства достигли более 23%.

Самая большая проблема в области перовскитов сегодня — это долговременная
нестабильность. Это было продемонстрировано из-за путей разложения, включая
внешние факторы, такие как вода, свет и кислород, а также внутренней
нестабильности, такой как разложение при нагревании из-за свойств материала.

Было предложено несколько стратегий для повышения стабильности, наиболее
успешные за счет изменения выбора компонентов. Было показано, что использование
смешанных катионных систем (например, путем включения неорганических катионов,
таких как рубидий или цезий) улучшает как стабильность, так и характеристики.

В первых перовскитных ячейках, эффективность которых превышает 20%,
использовалась смешанная система органических катионов, и многие из
недавно опубликованных наиболее эффективных систем неорганических компонентов. Движение
к гидрофобным, устойчивым к ультрафиолетовому излучению поверхностным слоям
также улучшило стабильность — например, за счет замены Ti , склонного к УФ-деградации,
на SnO2.

Стабильность также была улучшена за счет использования пассивирования
поверхности и сочетания двухслойных перовскитов (Ruddlesden-Popper) (которые
показывают лучшую внутреннюю стабильность, но худшие характеристики) с обычными
трехмерными перовскитами.

Эти усилия (наряду с такими факторами, как лучшая инкапсуляция) значительно
улучшили стабильность перовскитов с момента их первоначального внедрения, и их
жизнеспособность приближается к отраслевым стандартам — клетки могут
выдерживать 1000-часовое испытание на влажность.

В данной работе рассмотрим вопросы протонной проводимости, рассмотрим насколько обширно
пространство параметров для возможных комбинаций материала / структуры,
поскольку существует множество других атомов / молекул, которые можно заменить.

Заключение:

Принцип
действия водородных ячеек был открыт в 1838 году немецко-швейцарским химиком Кристианом
Фридрихом Шёнбейном. Он опубликовал его в выпуске Philosophical Magazine за
январь 1839 года, и из этой работы валлийский ученый сэр Уильям Гроув создал первый
рабочий топливный элемент.

В
1887 году Вальтер Герман Нернст предложил и ввел математическое описание работы
топливного элемента в форме, известной сегодня как уравнение Нернста, которое
коррелирует равновесный потенциал электродов топливного элемента со стандартным
потенциалом и концентрациями реагентов электрохимический процесс.

Примерно
в 1958 году американским и британским ученым впервые удалось создать рабочие
топливные элементы для сжигания газообразной формы водорода.

Однако
эти клетки не нашли практического применения до 1960-х годов, когда Соединенные
Штаты использовали клетки с полимерной мембраной или AFC в качестве источника
электричества и воды в своей космической программе.

Такие
корабли, как Gemini 5, программа Apollo, где впервые в истории использовались
топливные элементы, производимые в промышленных масштабах, или орбитальная
станция Skylab , были оснащены
топливными элементами. Дополнительным преимуществом клеток было производство питьевой
воды.

В
то время для производства топливных элементов использовались чрезвычайно
дорогие материалы, и для их работы требовались очень высокие температуры, а
также малозагрязненные кислород и водород. В то время стоимость их производства
составляла 100000 долларов за киловатт , но было решено использовать их, потому
что водород и кислород использовались в качестве топлива и, таким образом, были
доступны в больших количествах на космических кораблях .

Дальнейшие
технологические разработки в восьмидесятые и девяностые годы (включая
использование полимерной мембраны, например, Nafion в
качестве электролита и снижение количества платины, необходимой для
производства элементов) сделали возможным использование топливных элементов в
коммерческих целях, например в прототипах автомобилей.

На
протяжении многих лет ученые пытались преодолеть технический барьер
миниатюризации клеток.

Нам
удалось преодолеть барьеры миниатюризации, создав полимерные ячейки, работающие
на метаноле –DMFC , что позволяет использовать их в портативном электронном
оборудовании, используемом вдали от источников зарядки аккумуляторов, например,
в портативных компьютерах – ноутбуках или мобильных телефонах .

Фрагмент текста работы:

1. Гетерополикислоты Гетерополикислоты — поликислоты,
образующиеся в результате конденсации молекул различных неорганических кислот ,
например кремниевой и фосфорной кислот. Они используются, например, в качестве
каталитических центров (после включения в полимерную матрицу).

Гетерополикислоты, конденсированные
неорганические кислоты

( поликислоты
), молекулы которых содержат атомы различных кислотообразующих элементов; например,
кислота формулы H3PMo12O40.

Среди
поливольфрамовых кислот стабильными являются только шесть и двенадцать
вольфрамовых кислот, тогда как ди-, трунг- и т. д. Кислоты вообще не известны. Также
было бы непонятно, почему в большинстве случаев количество кислотных остатков,
составляющих молекулу поликислоты, ограничено.

Особым случаем
здесь являются полисиликаты, для которых, кстати, использовались структуры
цепочка, лента и сеть, экспериментально определено с помощью рентгеновских
лучей.

Миолати, а
затем Розенхейм разработал теорию строения поликислот, основанную на взглядах
Вернера на структуру сложных соединений Согласно этой теории, поликислоты
следует рассматривать как соединения со сложным анионом, в котором атомы
кислорода, окружающие центральный атом, заменены кислотными остатками той же
или другой кислоты.

В первом случае
получается анион изополикислоты, во втором — гетерополикислота. Таким образом,
для тетрахромовой кислоты вместо формулы I получается формула II:

Двенадцать
вольфрамовой фосфорной кислоты Розенхайма получают из гипотетической фосфорной
кислоты (или , 7

0), заменяя все шесть атомов кислорода остатками W207:

Розенхейм дает
формулы аналогичным образом для аналогичных гетерополикислот кремневольфрамата
и борной кислоты. Сходство кристаллических форм этих кислот, по-видимому,
подтверждает правильность формул.

Взгляды Миолати
и Розенхейма были также широко подтверждены при исследовании структуры
кристаллических полилкислот и их солей с помощью рентгеновских лучей, однако
оказалось, что некоторые поправки были необходимы.

Например, было
обнаружено, что вольфрамовая кремниевая кислота должна быть сформулирована не
как вольфрамат кремния шесть-два с атомом кремния с координационным числом 6
(формула IV), а как четырех (трехвольфрамовая) кремниевая кислота с
координационным числом число 4:

Такую же
структуру имеют вольфрамат фосфора и вольфрамат бора, а также соответствующие гетерополикислоты
молибдена. Это связано, в частности, с следовательно, соли этих кислот, если
они содержат равное количество молекул кристаллизационной воды, изоморфны друг
другу. В эту группу изоморфных солей входят также мета-гольфаматы.

Следовательно,
метавольфрамовая кислота должна быть надлежащим образом классифицирована как
гетерополикислоты, и ее формула должна быть сформулирована следующим образом:
Как следует из сравнения формулы VII с формулой VI, роль центрального
гетероатома играет группа H2.

Триоксид алюминия ( стандартное
название : оксид алюминия (III), обычно оксид алюминия ), Al2O3
— неорганическое химическое соединение из группы оксидов, в которой алюминий находится
в 3-й степени окисления. Он встречается во многих полиморфных формах, наиболее
важными из которых являются:

· α-Al 2O 3 ( корунд ) — наиболее
прочная форма, отличающаяся высокой твердостью (9 по шкале Мооса ). Температура
плавления составляет 2053–2072 C, а температура кипения составляет 2980–прибл. 3000C
(для природного корунда температура плавления составляет 2015 ± 15 C, а температура
кипения — C). Он хорошо
проводит тепло, устойчив к химическим веществам и не растворяется в кислотах. Образуется
при обжарке до 1000C гамма — разновидности. Используется для производства
шлифовальных материалов (наждака) и огнеупорных материалов.

· γ-Al 2O3- белый гигроскопичный порошок,
не растворимый в воде, растворимый в сильных кислотах. Получается мягким
обжигом гидроксида алюминия. Обладает амфотерными свойствами, образует глину со
щелочами (например, NaAlO2). Это сырье для получения металлического
алюминия электрохимическим методом.

Также известны
формы η, χ, δ и θ, различающиеся своими свойствами и кристаллической структурой.

Так называемый
β-оксид алюминия представляет собой алюминат натрия с формулой NaAl11O17.

Основная руда алюминия,
из которой получают глинозем, — бокситы. Полученный таким образом оксид
алюминия можно использовать для производства алюминия.

2. Nafion Nafion — название
материала, производимого DuPont. Это синтетический сополимер tetrafluoreethene (Teflon мономера) и перфторированный олий виниловый
эфир прекращается с сильно кислым остатком сульфоновой.

Основная цепь
полимера получается сополимеризацией тетрафторэтена и перфтор-3,6-диокса-4-метил-7-октенсульфонового
фторида. После окончания процесса фторсульфоновая группа ( -SO 2 F )
гидролизуется горячим раствором сильного основания до сульфоновой группы ( -SO 3
— ). Он был разработан Вальтер Грот от DuPont в конце 1960-х.