质子导体材料的应用

李奕淇

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201722104

摘要：质子导体属于新型导电电解质，是一种以质子为媒介来传导电荷的固体导电材料，可以进行氢离子导电。由于质子导体材料非常优越的导电性，在水电解制氢、氢传感器、有机电化学加氢等领域都有广泛应用并成为电化学领域研究的热点。为了使人们更加了解质子导体，本文介紹了什么是质子导体材料，并探讨了质子导体的代表种类与应用。

关键词：质子导体材料；特点；应用

作为新型材料，质子导体因其较高的离子电导率，被广泛应用于氢气传感器以及电化学方式氢的制备等方面，具有很广阔的应用和开发前景，是各国科技工作者研究的热点。质子导体是一种以质子为媒介来传导电荷的固体导电材料，可以进行氢离子导电。电解现象发生后，由于质子具有很高的迁移率，氢所携带的正电荷的电解质就可以在阴极发生反应，并产生质子在质子离解基团之间迁移，这种质子导体在进行电荷传导的时候，质子的电导率要明显大于电子的电导率。

1 质子导体材料简介

质子导体材料被人们分成含氢键质子导体和无氢键质子导体两种类型。含氢键的质子导体是水合物，绝大多数属于高温质子导体的类别。这种水合物质子导体主要可分以共价多面体连接成层状形态并在不同的层次之间通道中含有水及水合离子为结构特征的质子导体和由连接水及水合离子来平衡这些带电的胶体微粒电荷的质子导体。作为水合物质子导体，它们都具有一定的水吸附性能。一旦发生相对湿度大于某一定值的现象，质子导体的水吸附量以及质子电导率就会保持恒定，而出现相对湿度小于某一定值现象时，这些水合物质子导体的水吸附量以及质子电导率就会产生迅速降低的情况，因此人们断定这些导体的水吸附及质子电导率与插入的水有很大的关系，会随相对湿度的增加而不断增高。

近年来，人们越来越关注有关无氢键的质子导体和氧化物质子导体方面的研究。无氢键导体本身不含有氢键，能够稳定地存在于高温环境当中。氧化物质子导体形式存在的化合物高温质子导电性较高，被广泛应用于氢气的制备、浓差电池的应用、及温度传感器的制造等方面。

2 质子导体的代表种类与应用

2.1 有机聚合物质子导体

聚合物电解质是一种应用很广泛的有机质子导体，有全氟磺酸，它的性能最强。它的主要组成部分是由疏水的碳氟主链区，离子簇和离子簇间形成的网络结构。膜内离子和水分子迁移的唯一通道就存在于离子簇间所形成的网络结构当中。离子膜之所以具备选择透过性的特性，是因为离子膜带有负电荷的固定离子，可以在高温情况下通过聚合物共混的途径和无机物掺杂方式来生成优异性能的复合膜来达到对全氟磺酸膜的改性要求。高温环境下离子膜内水的快速蒸发现象导致了离子膜结构和成分的随之变化和离子膜本身质子传导性及机械性能的降低。氟化过程对环境的污染导致无氟聚合物质子交换膜研究的快速发展。加大酸的掺杂量，与聚合物结合的酸就会有剩余，质子就可以在这些酸之间进行传递，从而增大电导率。

2.2 固体酸性无机物质子导体

固体酸的质子传导性能非常优异，但其本身所具有的水溶性和不稳定在很大程度上限制了它在各个领域内的广泛应用。它具有水溶性且在高温下出现明显的塑形变形，仍然还具有稳定的电池性能。固体酸性无机物质子导体比磷酸等阴离子基的超质子导体具稳定性更高。这些导体的固体酸性结构是一个有序到无序性其决定性的一个主要特征。

2.3 氧化物型质子导体

对于氧化物导体，可分为钙钛矿型氧化物质子导体和其它氧化物质子导体。钙钛矿型氧化物固体电解质有两种类型，即复合钙钛矿型和简单钙钛矿型。人们对钙钛矿型氧化物质子导体导电机理的研究由来已久，但是到目前为止还没有公认的较为成熟的理论。基氧化物质子具有较低的传导性和较大的质子迁移数，掺杂基氧化物的材料化学稳定性和机械性能都很优良，但电导率较低。目前在各种材料的性质上都会存在一定的缺陷，这就是钙铁矿型氧化物固体电解质到现在还没有得到广泛的应用的原因之一。

其它氧化物质子导体是具有良好的化学稳定性，有耐温较高的温度，与钙钛矿型导体相比，具有很好的应用前景。人们已经认识到了这种高性能的质子导体的导电性，但是离着市场开发和实际应用还有很大的距离。

3 结语

质子导体在多个领域上具有应用价值和广泛的应用前景，在新型高温质子导体材料的发展方面，也具备良好的前景，在未来阶段下，将会诞生化学稳定性、离子电导率更优的新型质子导体材料。此外，质子导体还具有较好的抗积碳性能，通过对其导电机理的完善，电导率和稳定性的研究，质子导体必将会有一个广阔的应用前景。

参考文献：

[1]施万玉，卢建树.质子导体材料的研究进展[J].化工新型材料，2010（38）.

[2]徐花蕾，赵海荣，周宏，于姗姗.无机有机杂化类质子导体材料的研究进展[J].2017（45）.

[3]郭红霞，吕敬德，王岭，唐晓微.致密扩散障碍层极限电流型氢传感器[J].无机化学学报，2008（10）.

[4]赵海燕，李影，毕春波，郝增川.稳定钙钛矿型质子导体材料的研究进展[J].科技创新导报，2013（32）.