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摘 要

燃料电池（Fuel Cell）是一种可以将生物质能或化学能转化为电能的发电设备。其中，质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一类重要的燃料电池，其具有发电效率高、对环境危害少、使用风险小等特点，而固体电解质是其不可或缺的重要组成部分。本文通过水热法合成了具有多氢键结构的[Tb(H₂O)(C₂O₄)_0.5(HPO₃)]·H₂O微晶，并研究了该化合物的质子导电行为，发现其具有一定的质子导电性，在固体电解质方面有一定潜在应用。

关键词：水热法 配合物 质子导电性

ABSTRACT

The fuel cell is a kind of power equipment that converts biomass energy or chemical energy directly into electrical energy. The proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) is a class of important fuel cells, which shows lots of advantages, such as high energy density, environment-friendly, safe and reliable. Solid electrolyte is an indispensable part in PEMFC. In this thesis, microcrystals based on the multi-hydrogen bonds structural [Tb(H₂O)(C₂O₄)_0.5(HPO₃)]·H₂O were synthesized by hydrothermal method. The proton conductance of the compound was studied. The results indicated that the compound showed proton conductivity and had potential applications as solid electrolytes.

Key words: Hydrothermal reaction, Complex, Proton conductivity

目 录

摘要 Ⅰ

ABSTRACT Ⅱ

目录 Ⅲ

第一章 综述 1

1.1 配位化合物概述 1

1.2 稀土金属配合物的概述 1

1.3 质子交换膜燃料电池 3

1.4 固体质子导体 5

1.5 质子导体的质子传导机制 6

1.6 水热合成法 9

第二章 实验部分 10

2.1 材料和实验方法 10

2.1.1 实验药品与操作 10

2.2 粉末X射线衍射表征晶体结构 10

2.3晶体结构分析 12

2.4 交流阻抗谱 13

第三章 结论与展望 14

3.1 结论 14

参考文献 15

致谢 18

第一章 综述

1.1 配位化合物概述

配位化合物Coordination Compound简称配合物，又称络合物Complex Compound，是一类有特别性质和独特结构的化合物，它是由中心原子和其他配体通过配位作用而形成的。配合物具有独特的光学性质，它是研究配合物的重要性质之一。金属配合物的电子吸收光谱大致可分为以下三类：1配位场光谱。在晶体或溶液中，金属离子周围总有一定的配位存在，从而使金属离子的d轨道发生能级分裂^[1]。电子移动光谱，这种光谱的产生原因是配合物内中心离子和配位体之间的电子的跳跃移动所引起的。3配位体光谱，在有机配位体中，经常出现分子内的电子跃迁，因而具有特征的吸收谱带。有机物和无机物的定性和定量分析常用到配合物的光学性质来分析。配合物因为其变化多端的组合方式、空间构造，这让配位化学在和其他研究领域的交融中，变为许多学科的交叉点。众多的金属都能充当中心原子，其中过渡金属比较易形成配合物。

1.2 稀土金属配合物的概述

稀土金属是位于周期表的ШB族，这其中镧系元素是有f壳层的，同时在通常情况下大部分稀土金属元素是正三价存在其配合物中，稀土配合物的性质既与过渡金属配合物有差别，更与普通金属元素合成的配合物不同。稀土金属是指钪、钇和镧系金属一共17种元素， 人们根据稀土元素的相对原子质量的不同，将稀土元素分为以下表格中的两大类，一是轻稀土元素，主要包括：La、　　Ce、 Pr、Nd、Sm、Pm、Eu；二是重稀土元素，主要包括Tb、Gd、Dy、Ho、Tm、Er、Yb、Lu。

稀土金属配合物是指许多不同的配体与作为中心离子的稀土金属离子通过络合作用而构成的具备特殊结构特殊性质的一类配合物。稀土金属元素配合物的稳定性由许多因素影响，例如稀土金属的价键形式、稀土金属原子的大小、稀土金属原子和相关配体的偶极矩的大小、产物的结构和空间位阻。稀土金属元素配合物一般为离子型的配合物。

稀土配合物研究是近几十年才发展起来的，起步较迟。1940年后，稀土金属元素配合物研究快速发展，稀土金属离子因为其体积较大、稀土金属元素原子周围的配位原子个数多的特点,更有利于底物和反应物的配位作用。自从1954年Wilkinson 等首次报道三茂稀土金属有机配合物以来,稀土金属有机化学经历了20世纪60～70 年代鲜为人知,80年代方兴未艾和90年代的蓬勃发展阶段^[2]。在现在近20年以来，三价稀土金属元素形成的配合物的研究一直是十分火热。

稀土金属离子是A类金属（硬酸），所以他和H₂O、F^-（硬碱）等配体可以较为容易的形成配合物，而和含有S、I（软碱）的配体却不容易进行配合作用。一般情况下，稀土金属离子在与B类金属（软碱）配位体反应形成的配合物局限于固体中，但在水溶液中则不容易得到产物，这是由于H₂0自身就是一种含O^2-的配体，他与稀土金属元素离子有着较强的配位作用，但软碱配体和稀土金属元素离子的配位作用就不是很容易发生，所以不能够将已经和稀土金属元素离子结合的H₂O替换出来，所以在含水的液体反应体系中，B类金属的配体与稀土金属元素离子一般很难发生配位作用，却在不含水的非水反应体系中却可以反应生成所要的产物。合成这类稀土金属配合物时，水是必不可少的溶剂，在含水的液体反应体系中，稀土金属元素离子进行配位作用时，只有当配位体的络合能力打于其与H₂O的配位作用，能够打断稀土金属元素离子与H₂O之间的连接，破坏其结构，才可能与稀土离子反应生成配合物。同时多合配位体可以形成螯环，因此他与单合配位体相比具有更强的络合作用。总而言之，不单单是稀土金属元素本身的性质；其他配体的构造（包括其他原子的性质、可以发生配位的原子的数量、生成螯环的大小等）；还有许多外界的影响因素如反应体系的温度、反应体系的压力等都直接可以影响形成的最终产物的稳定性。稀土金属元素离子已与多功能配位体在合成具有特殊性能的功能材料的研究上进行了探索和研究，而通过稀土金属离子与其他配位体的相互影响，又能够在一定程度上改良、塑造和加强这些性能，所以稀土金属可以为配位化学研究出特殊性能的分子提供了诸多的可能性和广阔前景。

1.3 质子交换膜燃料电池

随着化石燃料等不可再生能源的不断使用和损耗，不可再生能源的不可复制性和大量使用化石燃料所带来的环境破坏问题日趋严重。许多年来，研究人员一直都在急切地想要找到既有高效的能源转换效率同时又不会对环境友好的能源使用方法，而燃料电池就是可以符合这一特点的发电设备之一^[3-10]。燃料电池Fuel Cell的能量转化简便，能量之间的转换效率高，同时由于没有燃烧，所以能产生对环境有害的污染物也大大减少。除了效率高、环保无污染的优点外，燃料电池也是可以重复使用的能源，可以满足环境友好和可持续发展的要求。此外，与其他电池和热力发动机相比，燃料电池具有自己独特的优势：快速充电取代以往的慢速充电;；使用简易的系统结构，操作噪音小，燃料电池已经成为未来环境友好型能源行业最有希望的技术之一，因为它们具有高效的能量之间的相互转化，低排放，甚至零排放，同时能满足移动电源和固定电源的要求。燃料电池与我们意识中的常见电池不同，燃料电池的燃料和氧化剂是可以由外界的补给，这样做的好处是供电的连续性，理论上，只要保证供给的连续不断燃料电池本身就像一个特殊的发电机，可以持续对外供电，这与普通电池将原料直接装入电池的做法有很大不同。另外，燃料电池的适应性强，可以搭配各种型号的配件，降低其使用上限要求。上述这些优势让燃料电池被人们愈加关注和研究，同时也被许多研究人员当做是一个不同以往的环保能源而被看好。

质子交换膜燃料电池一般由三部分组成，除了一般电池的结构，质子交换膜燃料电池还具备独特的构造：质子交换膜。除了正常电池的阳极氧化，阴极还原外，质子交换膜燃料电池的两极还有催化剂加速电极反应，此时的质子交换膜作为固体电解质存在。工作时其相当于一直流电源。

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