Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения сложного гидросульфатфосфата цезия состава Cs(HSO)(HPO)

Изобретение относится к неорганической химии, в частности к синтезу нового гидросульфатфосфата цезия состава Cs₆(H₂SO₄)₃(H₂PO₄)₄, состав соединения подтвержден результатами прецизионного рентгеноструктурного анализа. Соединение Cs₆(H₂SO₄)₃(H₂PO₄)₄ может быть использовано в качестве твердого протонпроводящего материала.

В качестве твердого протонпроводящего материала может использоваться гидросульфат цезия CsHSO₄, который отличается от соединения Cs₆(H₂SO₄)₃(H₂PO₄)₄ более высокой температурой фазового перехода (141°C) и меньшими значениями проводимости при повышенных температурах [Nardy Т., Friesel М., Melander В.Е. Proton and deuteron conductivity in CsHSO₄ and CsDSO₄ by in situ isotopic exchange. Solid State Ionics 77 (1995) 105-110].

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является гидросульфат цезия с формулой Cs₃(HSO₄)₂(H₂PO₄).

Однако соединение Cs₃(HSO₄)₂(H₂PO₄) претерпевает фазовый переход при более высокой температуре (~119°C) и проявляет меньшие значения проводимости при этой температуре (6,3⋅10^-3 Ом^-1 см^-1) [Haile S.M. et.al. Superprotonic conductivity in Cs₃(HSO₄)₂(H₂PO₄). Solid State Ionics 77 (1995) 128-134].

Задачей изобретения является создание эффективного способа получения гидросульфатфосфата цезия состава Cs₆(H₂SO₄)₃(H₂PO₄)₄.

Технический результат изобретения - получение сложного гидросульфатфосфата цезия состава Cs₆(H₂SO₄)₃(H₂PO₄)₄, обладающего большим значением протонной проводимости и меньшим значением температуры фазового перехода.

Поставленные техническая задача и технический результат достигаются тем, что получение сложного гидросульфатфосфата цезия состава Cs₆(H₂SO₄)₃(H₂PO₄)₄ в виде поликристаллического порошка выполняют методом твердофазного синтеза из шихты с мольным соотношением CsHSO₄:CsH₂PO₄:CsH₅(PO₄)₂, равным 3:2:1, при температуре 60-90°C.

Соединение Cs₆(H₂SO₄)₃(H₂PO₄)₄ проявляет суперпротонные свойства и обратимый воспроизводимый суперпротонный фазовый переход при температуре ~115°C. Значение проводимости при температуре 125°C достигает 1 Ом^-1 см^-1. Соединение Cs₆(H₂SO₄)₃(H₂PO₄)₄ химически устойчиво до температуры 140°C, что подтверждается результатами рентгенофазового анализа образцов до и после нагрева.

На чертежах представлены результаты экспериментов.

Фиг. 1 - Температурная зависимость проводимости соединения Cs₆(H₂SO₄)₃(H₂PO₄)₄.

Фиг. 2 - Сравнение порошковых дифрактограмм соединения Cs₆(H₂SO₄)₃(H₂PO₄)₄ перед циклом нагрев-охлаждение (1) и после нагрева до 140°C с выдержкой 8 часов и последующим охлаждением.

Пример получения сложного гидросульфатфосфата цезия состава Cs₆(H₂SO₄)₃(H₂PO₄)₄ в виде поликристаллического порошка.

Для получения 15 г поликристаллического порошка соединения Cs₆(H₂SO₄)₃(H₂PO₄)₄ была приготовлена шихта состава CsHSO₄ - 7 г, CsH₂PO₄ - 4,5 г, CsH₅(PO₄)₂ - 3,5 г, затем шихта истиралась (вручную или в шаровой мельнице). Подготовленную шихту подвергали непрерывному отжигу при 90°C в течение 200 часов.

Полученные экспериментальные результаты измерения температурной зависимости проводимости и проверки химической устойчивости соединения Cs₆(H₂SO₄)₃(H₂PO₄)₄ при температуре выше температуры фазового перехода указывают на применимость предложенного соединения в качестве среднетемпературного твердого протонпроводящего материала.

Предложенный способ получения соединения Cs₆(H₂SO₄)₃(H₂PO₄)₄ применим как в лабораторной практике, так и в промышленности, например, сложный гидросульфатфосфат цезия состава Cs₆(H₂SO₄)₃(H₂PO₄)₄ может применяться в качестве суперпротонного проводника во многих областях техники (топливные элементы и ячейки, протонные насосы, газоанализаторы, конденсаторы и т.д.).