会员体验
专利管家(专利管理)
工作空间(专利管理)
风险监控(情报监控)
数据分析(专利分析)
侵权分析(诉讼无效)
联系我们
交流群
官方交流:
QQ群: 891211   
微信请扫码    >>>
现在联系顾问~
首页 / 专利库 / 农用化学品和农药 / 肥料 / 有机肥 / 磷灰石 / 镧位掺杂磷灰石型硅酸镧及其制备方法和应用

镧位掺杂磷灰石型硅酸镧及其制备方法和应用

阅读:440发布:2021-02-25

IPRDB可以提供镧位掺杂磷灰石型硅酸镧及其制备方法和应用专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本发明涉及无机材料领域,公开了一种镧位掺杂磷灰石型硅酸镧及其制备方法和应用,所述镧位掺杂磷灰石型硅酸镧的结构通式为:La9.33+x-yMySi6O26+δ,其中,0≤x≤0.67,0,下面是镧位掺杂磷灰石型硅酸镧及其制备方法和应用专利的具体信息内容。

1.一种镧位掺杂磷灰石型硅酸镧的制备方法,其特征在于,所述镧位掺杂磷灰石型硅酸镧的结构通式为:La9.33+x-yMySi6O26+δ,其中,0≤x≤0.67,0

其中,金属元素M选自元素周期表第ⅡA族金属、第ⅤA族金属、第ⅠB族金属、第ⅤB族金属、第ⅦB族金属、第Ⅷ族金属以及除镧之外的镧系金属中的至少一种。

2.根据权利要求1所述的制备方法,其中,金属元素M选自Mg、Ca、Sr、Ba、Co、Ni、Cu、Mn、Bi、V、Nd、Sm、Gd和Yb中的一种或多种,优选选自Mn、Ba和Sr中的一种或多种。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法,其中,

所述可溶性镧盐为硝酸盐、氯化物和硫酸盐中的一种或多种;

所述金属元素M的可溶性盐为硝酸盐、氯化物和硫酸盐中的一种或多种;

所述可溶性硅酸盐选自硅酸钠、硅酸钾、原硅酸钠和原硅酸钾中的一种或多种;

所述沉淀剂用于使硅酸根离子与可溶性盐的阳离子反应生成硅酸盐沉淀后过量的可溶性盐的阳离子沉淀;

所述沉淀剂选自弱酸弱碱盐、中强酸弱碱盐以及碱性物质中的至少一种,其中,所述弱酸弱碱盐为碳酸铵和/或碳酸氢铵,所述中强酸弱碱盐选自甲酸氨、乙酸氨和硫酸氨中的一种或多种;所述碱性物质选自氨水、碱金属氢氧化物、可溶性碳酸盐、胺化合物和醇盐中的一种或多种。

4.根据权利要求1或2所述的制备方法,其中,沉淀反应条件包括:沉淀反应温度为10-

100℃,优选为20-50℃。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的制备方法,其中,在沉淀反应条件下,将可溶性镧盐、金属元素M的可溶性盐以及可溶性硅酸盐,与沉淀剂在水中接触的方式包括:将可溶性镧盐、金属元素M的可溶性盐溶解于水中得到金属盐水溶液,将可溶性硅酸盐溶解于水中得到硅酸盐水溶液;

方式(1):在搅拌下,将金属盐水溶液与硅酸盐水溶液混合,得到反应混合物,并将沉淀剂弱酸弱碱盐和/或中强酸弱碱盐的水溶液加入所述反应混合物中进行沉淀;或者将沉淀剂碱性物质的水溶液加入所述反应混合物中进行沉淀,并控制得到的沉淀产物浆液的pH为

7-14,优选为8-12,更优选为9-11;

方式(2):在搅拌下,将金属盐水溶液和硅酸盐水溶液同时加入到沉淀剂弱酸弱碱盐和/或中强酸弱碱盐的水溶液中进行沉淀反应,或者将金属盐水溶液和硅酸盐水溶液同时加入到沉淀剂碱性物质的水溶液进行沉淀反应,并控制得到的沉淀产物浆液的pH为7-14,优选为8-12,更优选为9-11。

6.根据权利要求5所述的制备方法,其中,

调节金属盐水溶液的pH值为0-7,优选为2-6,更优选为3-5;

调节硅酸盐水溶液的pH值为7-14,优选为8-12,更优选为9-11。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的方法,其中,干燥温度为70-120℃,干燥时间为

4-24h;焙烧温度为800-1200℃,优选为900-1000℃,焙烧时间为2-10h,优选为2-6h。

8.由权利要求1-7中任意一项所述方法制备的镧位掺杂磷灰石型硅酸镧,其特征在于,所述镧位掺杂磷灰石型硅酸镧的结构通式为:La9.33+x-yMySi6O26+δ,其中,0≤x≤0.67,0

1,0≤δ≤1,M选自元素周期表第ⅡA族金属、第ⅤA族金属、第ⅠB族金属、第ⅤB族金属、第ⅦB族金属、第Ⅷ族金属以及除镧之外的镧系金属中的至少一种。

9.根据权利要求8所述的镧位掺杂磷灰石型硅酸镧,其中,M选自Mg、Ca、Sr、Ba、Co、Ni、Cu、Mn、Bi、V、Nd、Sm、Gd和Yb中的一种或多种,优选选自Mn、Ba和Sr中的一种或多种。

10.由权利要求1-7中任意一项所述方法制备的镧位掺杂磷灰石型硅酸镧或者权利要求8或9所述的镧位掺杂磷灰石型硅酸镧在制备固体氧化物燃料电池电解质中的应用。

说明书全文

镧位掺杂磷灰石型硅酸镧及其制备方法和应用

技术领域

[0001] 本发明涉及一种镧位掺杂磷灰石型硅酸镧及其制备方法和应用。

背景技术

[0002] 燃料电池具有能量转换率高、环境友好、无机械噪音、不同功率适应强和安全可靠等优点,将逐步取代传统发电系统,缓解环境污染,解决电力短缺等问题。目前已经开发了多种燃料电池,如固体氧化物燃料电池(SOFC)则是其中的一种。固体氧化物燃料电池作为一种将化学能转化为电能的系统,具有高能量转化效率和低污染等优点,是目前最具潜力的新型能源之一。电解质是固体氧化物燃料电池的核心部件,它的主要作用是传递氧离子,同时隔绝燃料与氧气。固体氧化物燃料电池的电解质主要包括萤石型电解质、钙钛矿型电解质和磷灰石型电解质。其中,磷灰石型电解质是在中低温下具有较高的离子电导率和低活化能的新型固体电解质。磷灰石型硅酸镧的活化能低、热膨胀性能适中,是中低温固体氧化物燃料电池电解质的一种候选材料;但是磷灰石型硅酸镧电解质的氧离子电导率偏低,需要掺杂离子以提高其电导率,文献上常有的方法是镧位掺杂和硅位掺杂两种。
[0003] 文献中报道的常用于硅位掺杂元素的方法是固态熔融法和溶胶-凝胶法。比如,文献Journal of Materials Chemistry,2007,17,2078-2087提出了一种镧位掺杂Ca、Sr、Ba的方法,是以氧化镧、二氧化硅和碳酸盐为原料,通过固态熔融法来制备镧位掺杂的磷灰石型硅酸镧。Chinese Journal of Chemical Engineering,2010,18(2)328-332提出了一种镧位掺杂V的方法,以硝酸镧、硅酸四乙酯、五氧化二钒为原料,通过溶胶-凝胶法来制备镧位掺杂的磷灰石型硅酸镧。通过分析文献发现,固态熔融法虽然采用的原料价格便宜,但制备的磷灰石型电解质相态不纯,常含有氧化镧杂质;而溶胶-凝胶法虽然能制备出纯相态的磷灰石型电解质,但要采用价格较高的硅酸四乙酯,增加了生产成本。

发明内容

[0004] 本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺陷问题,提供一种新的镧位掺杂磷灰石型硅酸镧的制备方法及由该方法制得的镧位掺杂磷灰石型硅酸镧及其应用,采用本发明的方法能够制得纯相态镧位掺杂磷灰石型电解质,且方法简单、条件温和、成本低廉。
[0005] 为了实现上述目的,本发明一方面提供一种镧位掺杂磷灰石型硅酸镧的制备方法,其中,所述镧位掺杂磷灰石型硅酸镧的结构通式为:La9.33+x-yMySi6O26+δ,其中,0≤x≤0.67,0
[0006] 其中,金属元素M选自元素周期表第ⅡA族金属、第ⅤA族金属、第ⅠB族金属、第ⅤB族金属、第ⅦB族金属、第Ⅷ族金属以及除镧之外的镧系金属中的至少一种。
[0007] 本发明第二方面提供述一种根据本发明所述方法制备的镧位掺杂磷灰石型硅酸镧,其中,所述镧位掺杂磷灰石型硅酸镧的结构通式为:La9.33+x-yMySi6O26+δ,其中,0≤x≤0.67,0
[0008] 本发明的第三方面提供一种由本发明提供的镧位掺杂磷灰石型硅酸镧在制备固体氧化物燃料电池电解质中的应用。
[0009] 本发明提供的方法以廉价的硅酸盐代替了硅酸四乙酯,采用沉淀法制备镧位掺杂磷灰石型硅酸镧,制备方法简单,焙烧温度低,制备出的镧位掺杂磷灰石型硅酸镧具有相态纯、成本低的特点。

附图说明

[0010] 图1是本发明实施例1制备的镧位掺杂磷灰石型硅酸镧的XRD图;
[0011] 图2是本发明实施例2制备的镧位掺杂磷灰石型硅酸镧的XRD图;
[0012] 图3是本发明实施例3制备的镧位掺杂磷灰石型硅酸镧的XRD图。

具体实施方式

[0013] 在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值,这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说,各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间,以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围,这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
[0014] 根据本发明提供的镧位掺杂磷灰石型硅酸镧的制备方法,其中,所述镧位掺杂磷灰石型硅酸镧的结构通式为:La9.33+x-yMySi6O26+δ,其中,0≤x≤0.67,0
[0015] 其中,金属元素M选自元素周期表第ⅡA族金属、第ⅤA族金属、第ⅠB族金属、第ⅤB族金属、第ⅦB族金属、第Ⅷ族金属以及除镧之外的镧系金属中的至少一种。
[0016] 在本发明中,所采用的硅酸盐易溶于水,如何使硅酸根离子全部沉淀析出是反应的关键。本发明采用了沉淀法使硅酸根离子完全沉淀。在本发明所述反应中,利用镧离子和金属元素M离子与硅酸根离子反应的特性,使硅酸根离子以硅酸盐的形式沉淀析出,多余的镧离子以及金属M离子与沉淀剂碱性物质的水溶液或沉淀剂弱(中强)酸弱碱盐的水溶液反应生成氢氧化物沉淀或镧盐沉淀、M盐沉淀,硅酸盐、氢氧化物沉淀/镧盐沉淀、M盐沉淀在一定温度下焙烧生成镧位掺杂磷灰石型硅酸镧。
[0017] 根据本发明,可溶性镧盐、金属元素M的可溶性盐以及可溶性硅酸盐和沉淀剂的用量可以根据化学计量比进行称取,以使得满足镧位掺杂磷灰石型硅酸镧的结构通式中La、Si、M、O的原子比。
[0018] 根据本发明,金属元素M优选选自Mg、Ca、Sr、Ba、Co、Ni、Cu、Mn、Bi、V、Nd、Sm、Gd和Yb中的一种或多种,更优选选自Mn、Ba和Sr中的一种或多种。
[0019] 本发明中,所述可溶性盐的阳离子包括可溶性镧盐中的镧离子,以及金属元素M的可溶性盐的M离子,例如,若金属元素M的可溶性盐为硝酸锰,则所述可溶性盐的阳离子指的是锰离子(一般为Mn2+)。对此,本领域技术人员均能知悉,在此不再一一赘述。
[0020] 根据本发明,只要保证按照镧位掺杂磷灰石型硅酸镧结构通式中的化学计量比称取可溶性镧盐、金属元素M的可溶性盐以及可溶性硅酸盐,并与沉淀剂在水中接触,使得可溶性硅酸盐与沉淀剂分别将可溶性盐的阳离子沉淀,并将分离的固体沉淀物进行可选的干燥并焙烧即可实现本发明的目的,本发明中,所述可溶性镧盐、金属元素M的可溶性盐以及可溶性硅酸盐和沉淀剂的种类的可选范围较宽,具体可以根据现有技术进行选择。
[0021] 针对本发明的一种具体实施方式,所述可溶性镧盐可以为硝酸盐、氯化物和硫酸盐中的一种或多种,优选为硝酸镧。
[0022] 针对本发明的一种具体实施方式,所述金属元素M的可溶性盐可以为硝酸盐、氯化物和硫酸盐中的一种或多种,优选为硝酸盐;
[0023] 针对本发明的一种具体实施方式,所述可溶性硅酸盐可以选自硅酸钠、硅酸钾、原硅酸钠和原硅酸钾中的一种或多种。
[0024] 针对本发明的一种具体实施方式,所述沉淀剂用于使硅酸根离子与可溶性盐的阳离子反应生成硅酸盐沉淀后过量的可溶性盐的阳离子沉淀。
[0025] 优选情况下,所述沉淀剂选自弱酸弱碱盐、中强酸弱碱盐以及碱性物质中的至少一种,其中,所述弱酸弱碱盐可以为碳酸铵和/或碳酸氢铵,所述中强酸弱碱盐可以选自甲酸氨、乙酸氨和硫酸氨中的一种或多种;所述碱性物质可以选自氨水、碱金属氢氧化物(如氢氧化钠和/或氢氧化钾)、可溶性碳酸盐(如碳酸钠和/或碳酸钾)、胺化合物(如包括但不限于甲胺和/或乙胺)和醇盐(如包括但不限于甲醇钠)中的一种或多种。更优选,为了使得沉淀的更充分,所述沉淀剂通常以其水溶液的形式使用。
[0026] 根据本发明,沉淀反应条件包括一般包括沉淀反应温度和沉淀反应时间,优选沉淀反应温度为10-100℃,更优选为20-50℃,沉淀反应时间只要保证反应物充分反应并生成固体沉淀物即可,通常可以根据实际操作情况进行适当选择。
[0027] 根据本发明,在沉淀反应条件下,将可溶性镧盐、金属元素M的可溶性盐以及可溶性硅酸盐,与沉淀剂在水中接触的方式以满足能够充分得到硅酸镧沉淀,以及镧/金属M的氢氧化物沉淀和/或镧盐/金属M盐沉淀为标准。
[0028] 优选情况下,为了更好地实现本发明的发明目的,在沉淀反应条件下,将可溶性镧盐、金属元素M的可溶性盐以及可溶性硅酸盐,与沉淀剂在水中接触的方式包括:
[0029] 将可溶性镧盐、金属元素M的可溶性盐溶解于水中得到金属盐水溶液,将可溶性硅酸盐溶解于水中得到硅酸盐水溶液。其中,形成可溶性盐溶液中水的用量一般没有特殊限定,以能够充分溶解镧盐以及金属元素M盐为准。优选情况下,水的用量可以分别为镧盐或金属M盐重量的1-10倍。
[0030] 方式(1):在搅拌下,将金属盐水溶液与硅酸盐水溶液混合,得到反应混合物,并将沉淀剂弱酸弱碱盐和/或中强酸弱碱盐的水溶液加入所述反应混合物中进行沉淀;或者将沉淀剂碱性物质的水溶液加入所述反应混合物中进行沉淀,并控制得到的沉淀产物的pH为7-14,优选为8-12,更优选为9-11;
[0031] 其中,将金属盐水溶液与硅酸盐水溶液混合的方式对反应混合物的获得没有影响,例如,可以为将金属盐水溶液加入到硅酸盐水溶液中,也可以为将硅酸盐水溶液加入到金属盐水溶液中。
[0032] 方式(2):在搅拌下,将金属盐水溶液和硅酸盐水溶液同时加入到沉淀剂弱酸弱碱盐和/或中强酸弱碱盐的水溶液中进行沉淀反应,或者将金属盐水溶液和硅酸盐水溶液同时加入到沉淀剂碱性物质的水溶液进行沉淀反应,并控制得到的沉淀产物的pH为7-14,优选为8-12,更优选为9-11。
[0033] 根据本发明,在上述接触方式中,为了能够满足能够充分得到硅酸镧沉淀,以及镧/金属M的氢氧化物沉淀和/或镧盐/金属M盐沉淀,优选情况下,还包括调节金属盐水溶液的pH值为0-7,优选为2-6,更优选为3-5,以及,调节硅酸盐水溶液的pH值为7-14,优选为8-12,更优选为9-11。其中,调节金属盐水溶液的pH值以及调节硅酸盐水溶液的pH值的方法为本领域技术人员所公知,例如可以采用酸性溶液或碱性溶液进行调节,所述酸性溶液包括有机酸和/或无机酸,所述有机酸包括但不限于醋酸和/或苯磺酸;所述无机酸包括单不限于硝酸、盐酸和硫酸中的一种或多种。所述碱性溶液包括有机碱和/或无机碱,所述有机碱包括但不限于甲胺和/或乙胺;所述无机碱包括单不限于氨水、NaOH和KOH中的一种或多种。
[0034] 根据本发明,将金属盐水溶液与硅酸盐水溶液混合以及沉淀剂搅拌混合的转速和时间只要保证充分沉淀并得到固体沉淀物即可,一般,搅拌转速可以为100-1000转/分,优选为150-500转/分,搅拌时间可以为10-180min。将得到的固体沉淀物从混合悬浮液中分离的方法可以采用本领域公知的各种方法,例如,包括但不限于过滤分离、离心分离等。优选情况下,在将分离的固体沉淀物进行干燥(可选)和焙烧之前,还包括对固体沉淀物进行水洗,至水洗液中无水溶性离子为止。
[0035] 根据本发明,干燥和焙烧的条件可以根据现有技术进行选择,例如,干燥温度为70-120℃,干燥时间为4-24h;焙烧温度可以为800-1200℃,焙烧时间为2-10h。而本发明的发明人发现,在采用本发明的沉淀法制备镧位掺杂磷灰石型硅酸镧时,即使在较低的焙烧温度下进行焙烧仍然可以制得纯相态的磷灰石型硅酸镧,例如,焙烧温度为1000℃以下,如
800-1000℃,优选,焙烧时间为2-6h。
[0036] 本发明还提供了根据本发明所述方法制备的镧位掺杂磷灰石型硅酸镧,所述镧位掺杂磷灰石型硅酸镧的结构通式为:La9.33+x-yMySi6O26+δ,其中,0≤x≤0.67,0
[0037] 本发明还提供了根据本发明所述方法制备得到的镧位掺杂磷灰石型硅酸镧在制备固体氧化物燃料电池电解质中的应用。采用本发明提供的镧位掺杂磷灰石型硅酸镧在制备氧化物燃料电池电解质时,能够使得到的电解质具有更优异的性能。其中,电解质的具体制备方法可以参考本领域的常规技术进行,在此不再赘述。
[0038] 以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
[0039] 以下实施例中,所有的试剂和原料既可以商购获得,也可以根据已有的方法制备。
[0040] 实施例1
[0041] 本实施例用于说明根据本发明的方法制备La8.83Mn0.5Si6O26(x=0,y=0.5,δ=0)。
[0042] 配置硝酸镧水溶液,硝酸镧水浓度为15重量%。取硝酸镧水溶液112.2g和50重量%硝酸锰水溶液1.05g,硝酸锰水溶液与硝酸镧水溶液混合后配成溶液a。
[0043] 取九水硅酸钠10.0g,溶于100mL水中,并用稀硝酸调节pH值为9-10。在300转/分的搅拌下,把溶液a滴加到溶液b中,并向溶液b中滴加2mol/L的NaOH水溶液,使溶液b的pH值保持在9-10之间。溶液a全部滴加完后,继续搅拌30min,所得产物的pH值为9.5。对产物进行抽滤,并用去离子水对固体水洗三遍,然后在70℃烘24h,再在900℃焙烧5h,得到最终产物。
[0044] 对产物进行XRD物相分析,得到镧位Mn掺杂的纯相态磷灰石型产物,XRD谱图见图1(直线谱图为La9.33Si6O26的标准谱图,JCPDS No.为01-074-9552,通过谱图对比可以发现所制备产物为纯磷灰石型相态)。另外,用ICP对抽滤后的液体进行元素分析,未检测到镧和硅。
[0045] 实施例2
[0046] 本实施例用于说明根据本发明的方法制备La8.66Ba1Si6O26.5(x=0.33,y=1.0,δ=0.5)。
[0047] 配置硝酸镧水溶液,硝酸镧水浓度为15重量%。取硝酸镧水溶液110.2g和硝酸钡1.53g,硝酸钡溶解于硝酸镧水溶液后配成溶液a。
[0048] 取九水硅酸钠10.0g,溶于100mL水中,配成溶液b。
[0049] 在300转/分的搅拌下,把溶液b滴加到溶液a中,溶液b全部滴加完后,继续搅拌30min,然后滴加100mL 10重量%碳酸铵水溶液,再继续搅拌30min。对产物进行抽滤,并用去离子水对固体水洗三遍,然后在100℃烘6h,再在950℃焙烧5h,得到最终产物。
[0050] 对产物进行XRD物相分析,得到镧位Ba掺杂的纯相态磷灰石型产物,XRD谱图见图2(直线谱图为La9.67Si6O26.5的标准谱图,JCPDS No.为98-024-7068,通过谱图对比可以发现所制备产物为纯磷灰石型相态)。另外,用ICP对抽滤后的液体进行元素分析,未检测到镧和硅。
[0051] 实施例3
[0052] 本实施例用于说明根据本发明的方法制备La9.8Sr0.2Si6O27(x=0.67,y=0.2,δ=1)。
[0053] 配置硝酸镧溶液,硝酸镧水浓度为15重量%。取硝酸镧水溶液124.5g和硝酸锶0.25g,把硝酸锶溶于硝酸镧水溶液中,配成溶液a。
[0054] 取九水硅酸钠10.0g,溶于100mL水中,配成溶液b。
[0055] 在300转/分的搅拌下,把溶液a滴加到溶液b中。溶液a全部滴加完后,继续搅拌30min,再向悬浮液中滴加100mL 10重量%碳酸氢铵水溶液,继续搅拌30min。对产物进行抽滤,并用去离子水对固体水洗三遍,然后在70℃烘24h,再在1200℃焙烧5h,得到最终产物。
[0056] 对产物进行XRD物相分析,得到镧位Sr掺杂的纯相态磷灰石型产物,XRD谱图见图3(直线谱图为La10Si6O27的标准谱图,JCPDS No.为00-053-0291,通过谱图对比可以发现所制备产物为纯磷灰石型相态)。另外,用ICP对抽滤后的液体进行元素分析,未检测到镧和硅。
[0057] 以上详细描述了本发明的优选实施方式,但是,本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内,可以对本发明的技术方案进行多种简单变型,包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合,这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容,均属于本发明的保护范围。
高效检索全球专利

IPRDB是专利检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台,是提供专利分析,专利查询专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。

我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据,专利查询、专利分析

电话:13651749426

侵权分析

IPRDB的侵权分析产品是IPRDB结合多位一线专利维权律师和专利侵权分析师的智慧,开发出来的一款特色产品,也是市面上唯一一款帮助企业研发人员、科研工作者、专利律师、专利分析师快速定位侵权分析的产品,极大的减少了用户重复工作量,提升工作效率,降低无效或侵权分析的准入门槛。

立即试用