Electrophysical properties of nanostructured materials based on potassium dehydrophosphate with proton conductivity
Electro-physical peculiarities comparative analyses in microwave range of composition systems are conducted on the basis of dihydrophosphate potassium (КН2РО4). Concentrational dependences of real and imaginary components of complex permittivity are obtained for the systems КН2РО4 – superfine silica...
Gespeichert in:
| Datum: | 2007 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
2007
|
| Online Zugang: | https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/243 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Surface |
| Завантажити файл: |  |
Institution
Surface| _version_ | 1869291351932141568 |
|---|---|
| author | Garkusha, O. M. Kotenok, E. V. Makhno, S. N. Gorbyk, P. P. |
| author_facet | Garkusha, O. M. Kotenok, E. V. Makhno, S. N. Gorbyk, P. P. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "O. M. Garkusha",
"institution": "Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України"
},
{
"author": "E. V. Kotenok",
"institution": "Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України"
},
{
"author": "S. N. Makhno",
"institution": "Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України"
},
{
"author": "P. P. Gorbyk",
"institution": "Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України"
}
] |
| author_sort | Garkusha, O. M. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2018-11-27T09:40:57Z |
| description | Electro-physical peculiarities comparative analyses in microwave range of composition systems are conducted on the basis of dihydrophosphate potassium (КН2РО4). Concentrational dependences of real and imaginary components of complex permittivity are obtained for the systems КН2РО4 – superfine silica, КН2РО4 – polyvinyl alcohol and КН2РО4 – polychlorotrifluoroethylene. Prospective administration is shown to create functional elements in alternative power engineering. |
| first_indexed | 2025-07-22T19:31:24Z |
| format | Article |
| fulltext |
Химия, физика и технология поверхности. 2007. Вып 13. С.349-355
349
УДК 539.2
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
НАНОСТРУКТУРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
НА ОСНОВЕ ДИГИДРОФОСФАТА КАЛИЯ
С ПРОТОННОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ
О.М. Гаркуша, Е.В. Котенок, С.Н. Махно, П.П. Горбик
Институт химии поверхности им. А.А. Чуйко Национальной академии наук Украины
ул. Генерала Наумова 17, 03164, Киев-164
Проведен сравнительный анализ электрофизических свойств композиционных
систем на основе однозамещенного фосфорнокислого калия (КН2РО4) в СВЧ-диапазоне.
Получены концентрационные зависимости действительной и мнимой составляющих
комплексной диэлектрической проницаемости для систем КН2РО4 – высокодисперсный
кремнезем, КН2РО4 – поливиниловый спирт и КН2РО4 – полихлортрифторэтилен.
Показана возможность создания функциональных элементов для альтернативной
энергетики.
Electro-physical peculiarities comparative analyses in microwave range of composition
systems are conducted on the basis of dihydrophosphate potassium (КН2РО4). Concentrational
dependences of real and imaginary components of complex permittivity are obtained for the
systems КН2РО4 – superfine silica, КН2РО4 – polyvinyl alcohol and КН2РО4 –
polychlorotrifluoroethylene. Prospective administration is shown to create functional elements
in alternative power engineering.
Введение
Разработка и получение новых материалов, имеющих высокую протонную прово-
димость при низких температурах – актуальная задача в связи с перспективами их воз-
можного практического применения в таких электротехнических устройствах, как топ-
ливные элементы, электрохромные ячейки, химические газовые сенсоры и т.п. [1 – 4].
Подобные устройства высокочувствительны к внешним воздействиям, в частности их
протонная проводимость существенно зависит от количества воды в кристаллогидратах,
а также от влажности окружающей среды. Недостаток большинства гетерополисоедине-
ний – дегидратация при повышении температуры до 323 K [5]. Следовательно, основные
требования к функциональным элементам с протонной проводимостью: химическая и
термическая стойкость, стабильность электрофизических и физико-механических
свойств при изменении внешних условий [3].
Введение в композиционные материалы на основе протонных проводников поли-
мерных (органических) и высокодисперсных (неорганических) компонентов позволяет
устранить некоторые недостатки [6, 7] и существенно улучшить их эксплуатационные
характеристики [8, 9].
Цель исследования – установление закономерностей изменения электрофизичес-
ких свойств композиционных материалов с протонной проводимостью на основе дигид-
рофосфата калия в зависимости от химической природы и структуры наполнителя, тех-
нологии изготовления образцов и концентрации исходных компонентов.
350
Объекты и методики проведения эксперимента
Для исследований были изготовлены дисперсные системы, содержащие фосфор-
нокислый калий однозамещенный (КН2РО4), марки «х.ч.»; высокодисперсный диоксид
кремния (ВДК) марки «А-300»; поливиниловый спирт (ПВС) марки «ч.»; полихлортри-
фторэтилен (ПХТФЭ), марки «ч.». Выбор компонентов системы обусловлен их особыми
свойствами в СВЧ-диапазоне частот, термической стабильностью до 453 К, что позво-
ляет использовать композиционные материалы для изготовления сред, эффективно
взаимодействующих с электромагнитным излучением, а также в низкотемпературных
топливных элементах.
Для системы КН2РО4 – ВДК получено две серии образцов. Первая изготовлена
путем прессования гомогенной смеси исходных компонентов при комнатной темпера-
туре и давлении 2 МПа. Образцы второй серии получали из водного раствора КН2РО4,
смешивали на ультразвуковом диспергаторе с диоксидом кремния на протяжении 0,5 ч,
образованную суспензию высушивали при 333 К, диспергировали и прессовали при
комнатной температуре и давлении 2 МПа. Исследование обеих серий образцов прово-
дили в одинаковых условиях (влажность воздуха и атмосферное давление).
Полимерные композиционные материалы получали методом термического прес-
сования из расплава полимера. Образцы систем КН2РО4 – ПХТФЭ и КН2РО4 – ПВС вы-
держивали на протяжении 15 мин при температуре 513 и 493 К соответственно и давле-
нии 2 МПа, охлаждали при комнатной температуре.
Электрофизические свойства (действительную ε' и мнимую ε" составляющие
комплексной диэлектрической проницаемости) блочных образцов систем КН2РО4 –ВДК;
КН2РО4 – ПВС и КН2РО4 – ПХТФЭ в интервале частот 8 – 12 ГГц исследовали с по-
мощью сверхвысокочастотного интерферометра [10], электропроводность системы
КН2РО4 – ПВС – с помощью измерителя иммитанса Е7-14 на пленочных образцах тол-
щиной ~0,5 мм.
Экспериментальные результаты и их обсуждение
Удельный вес образцов системы КН2РО4 – ВДК обеих серий определяли
геометрическим методом. Показано, что в каждой серии образцов плотность постепенно
уменьшалась при увеличении массовой доли ВДК (рис. 1).
Рис. 1. Зависимости плотности
системы КН2РО4 – ВДК
от концентрации диокси-
да кремния: 1, 2 – экспе-
риментальные для пер-
вой и второй серий об-
разцов соответственно;
3 – расчетная.
Плотность дигидрофосфата калия от технологии приготовления не зависит и сос-
тавляет ~2 г/см3. Концентрационная зависимость плотности образцов, изготовленных из
суспензии, носит аддитивный характер, и имеет более высокие значения, чем для физи-
ческой смеси. Разность между соответствующими значениями возрастала с увеличением
концентрации наполнителя. Соответственно прочность образцов, изготовленных из сус-
пензии, значительно выше, чем полученных из физической смеси, этим обусловлена
351
некоторая ограниченность концентраций, представленных на рис. 1, кривая 2. За основу
теоретических расчетов плотности (кривая 3) взяты экспериментальные точки 0 и 50 %
концентрации ВДК.
Экспериментальные значения действительной (e¢) и мнимой (e²) составляющих
комплексной диэлектрической проницаемости обеих серий образцов на частоте 10,5 ГГц
представлены на рис. 2. Видно, что электрофизические характеристики даже исходного
компонента существенно зависят от технологии изготовления образцов, причем указан-
ная зависимость нелинейная и после концентрации 7,5 % электрофизические показатели
образцов, полученных из суспензии, стабильно превышают соответствующие значения
для физической смеси. Композиты, полученные из физической смеси имеют значения 'e
меньше (в 1,5 раза) соответствующих значений образцов, изготовленных из суспензии;
перколяционный переход наблюдается при более высоких значениях концентрации
(около 30 %).
а
б
Рис. 2. Зависимости действительной ε' (а) и мнимой ε'' (б) составляющих комплексной
диэлектрической проницаемости от концентрации диоксида кремния для
системы КН2РО4–ВДК двух серий образцов, полученных: 1 – из физической
смеси, 2 – из суспензии.
Концентрационные зависимости составляющих комплексной диэлектрической
проницаемости (на частотах 9,5 и 10 ГГц), для образцов, изготовленных из суспензии,
при больших концентрациях ВДК (С ≥ 20 %) имеют линейный характер (рис. 3). При
меньшем содержании ВДК на зависимости 'e (С) наблюдался максимум значений в
области 7,5 – 17,5 %. Резкое уменьшение значений e¢ и e² (в 2,5 и 7 раз соответственно),
указывает на осуществление перколяционного перехода в системе с порогом перколяции
около 10 %.
Исследованы электрофизические характеристики ( 'e и e ¢¢ ) в частотном диапазоне
8 – 12 ГГц (рис. 4) для исходного КН2РО4 (1) и с добавлением ВДК (2).
Зарегистрированы изменения 'e и e ¢¢ от частоты для обоих образцов. Умень-
шение значений составляющих диэлектрической проницаемости с увеличением кон-
центрации объясняется особенностями взаимодействия компонентов системы на поверх-
ности раздела фаз. Положение максимумов на рис. 4 свидетельствует об интерференци-
онных эффектах.
352
а
б
Рис. 3. Зависимости действительной e¢ (а) и мнимой e² (б) составляющих комплексной
диэлектрической проницаемости от концентрации ВДК в системе КН2РО4 –
ВДК, определенные на частотах 9,5 (1) и 10 ГГц (2).
а
б
Рис. 4. Зависимость действительной ε' (а) и мнимой ε'' (б) составляющих комплексной
диэлектрической проницаемости от частоты, для систем: 1 – КН2РО4; 2 –
КН2РО4–5 % ВДК.
Полимерные соединения давно используются в качестве наполнителей в компо-
зиционных материалах с целью улучшения комплекса физико-механических свойств.
Как правило, полимеры – хорошие диэлектрики, что связано с особенностями их хими-
ческого строения. Известно [6, 11], что в составе композиционного материала электро-
физические свойства исходных материалов могут изменяться существенным образом не
только благодаря технологии получения, но и взаимодействию на поверхности раздела
фаз компонентов. Поэтому с научной и практической точек зрения актуально сравнение
электрофизических параметров исходных соединений с соответствующими характерис-
тиками композиционного материала, а также параметров нескольких композитов, имею-
щих сходный состав. С этой целью рассмотрены две полимерные системы, основой для
которых служит фосфорнокислый калий, обладающий свойством протонной проводи-
мости. В качестве наполнителей выбраны ПХТФЭ – диэлектрик ( 1410-» Ом–1·см–1) и
ПВС, имеющий разветвленную сеть водородных связей и, как следствие, протонную
проводимость ( 810-» Ом–1·см–1).
353
Температурные зависимости составляющих комплексной диэлектрической про-
ницаемости для исследуемых систем представлены на рис. 5.
а
б
Рис. 5. Температурные зависимости действительной ε' (а) и мнимой ε'' (б) состав-
ляющих комплексной диэлектрической проницаемости для образцов
90 % КН2РО4 –10 % ПВС (1) и 90 % КН2РО4 – 10 % ПХТФЕ (2).
Особенностью температурного поведения ε' указанных систем является то, что
начальные значения совпадают, но с ростом температуры зависимость, соответствующая
системе с полихлортрифторэтиленом убывает быстрее, что свидетельствует о более вы-
сокой температурной стабильности свойств системы КН2РО4 – ПВС в широком интерва-
ле температур.
Получены частотные зависимости ε' и ε" комплексной диэлектрической проница-
емости для систем КН2РО4 – ПХТФЭ и КН2РО4 – ПВС с содержанием полимера до 60 %,
на основании которых построены концентрационные зависимости (рис. 6) в полулога-
рифмических координатах. Теоретически полученные зависимости в пределах погреш-
ности согласуются с экспериментальными. Сравнительный анализ соответствующих
кривых для двух систем свидетельствует, что значение ε' для системы с поливиниловым
спиртом несколько выше, чем с полихлортрифторэтиленом. Значения мнимой состав-
ляющей ε", которая характеризует степень поглощения электромагнитного излучения,
для большинства образцов системы с ПВС превышают соответствующие значения для
системы с ПХТФЭ. На концентрационной зависимости для системы КН2РО4 – ПВС наб-
людается излом, что указывает на существование перколяционного перехода в системе.
354
Результаты свидетельствуют об увеличении электропроводности поливинилового спир-
та в присутствии КН2РО4, что связано с особенностями структуры данного полимера.
а б
Рис. 6. Зависимости логарифма комплексной диэлектрической проницаемости для
систем КН2РО4–ПВС (а) и КН2РО4–ПХТФЭ (б) от концентрации полимера: 1 –
ε' теоретическая; 2 – ε' экспериментальная; 3 – ε" экспериментальная.
Практическое применение функциональных элементов с протонной проводи-
мостью в водородной энергетике предусматривает их использование в качестве мембран
с заданными электрофизическими и механическими параметрами. С этой целью получе-
ны пленки системы КН2РО4–ПВС и проведены низкочастотные исследования их прово-
димости. Получена концентрационная зависимость электропроводности системы
КН2РО4 – ПВС на низких частотах (0,1; 1; 10 кГц) (рис. 7).
Рис. 7. Зависимость электропроводности системы КН2РО4 – ПВС на низких частотах
от концентрации ПВС: 1 – 0,1 кГц; 2 – 1 кГц; 3 – 10 кГц.
Показано, что введение полимерного наполнителя до 10 % сохраняет показатели
проводимости базового компонента, при этом существенно улучшаются механические
показатели образцов системы. Снижение электропроводности при увеличении концент-
рации полимера до массовой доли 15 % (что отвечает 21 % по объему), очевидно, обус-
ловлено образованием перколяционного кластера полимера в протонопроводящей
355
компоненте. Введение в систему данного полимера целесообразно и необходимо с точки
зрения практического использования полученных пленок в качестве функциональных
элементов в альтернативной энергетике.
Выводы
Таким образом, применение технологии получения композитов системы КН2РО4–
ВДК из суспензии способствует увеличению протонной проводимости и плотности по
сравнению с механической смесью. Композиционные материалы, полученные из суспен-
зии в интервале концентраций 5–17,5 % диоксида кремния, перспективны для практи-
ческого использования в качестве мембран топливных элементов. Композиты системы
КН2РО4 – ПВС обладают более высокой температурной стабильностью свойств в
широком интервале температур, чем КН2РО4–ПХТФЭ. Введение полимера в систему
КН2РО4 – ПВС до 10 % сохраняет показатели электропроводности протонного провод-
ника и обеспечивает существенное улучшение механических свойств композитов.
Литература
1. Сенсоры водорода для контроля и оптимизации работы водородных топливных
элементов / Л.С. Леонова, А.В. Левченко, И.В. Треглазов, Э.А. Астафьев, А.Э. Укше.
2-я Росс. конф. «Физические проблемы водородной энергетики»: Тез. докл., 21–23
ноября 2005 г. – Санкт-Петербург – С.117 – 118.
2. Новые гетерогенные и гомогенные мембраны для низкотемпературных топливных
элементов / Ю.А. Добровольский, Л.С. Леонова, А.В. Писарева, И.В. Треглазов. 7-е
Междунар. совещ. "Фундаментальные проблемы ионики твердого тела": Тез. докл.
16–18 июня 2004 г. – Черноголовка. – С. 49.
3. Гуревич Ю.Я. Суперионные проводники. – М.: Наука, 1992. – 288 с.
4. Асланов Л.А., Кудрявцев И.К., Безуглый Б.А. Протонная проводимость и синтез на
твердых электролитах // Журн. неорг. химии. – 1993. – Т.38, № 7. – С. 1160 – 1182.
5. Synthesis, proton conductivity and methanol permeability of a novel sulfonated polyimide
from 3-(2‘,4‘-diaminophenoxy)propane sulfonic acid / K. Tanaka, K. Okamoto, J. Fang,
Y. Cui, Y. Yin, H. Kita // Polymer. – 2003. – V. 44, № 16. – P. 1022 – 1025.
6. Шукла А.К. Ионный перенос в композитных электролитах // Изв. Сибирского отд-
ния АН СССР. – 1987. – № 19. – С. 62 – 73.
7. Присяжный В.Д., Загоровский Г.М., Приходько Г.П. Физико-химические свойства
систем кислая соль (KHSO4, KH2PO4) – аэросил // Укр. хим. журн. – 1994. – Т. 60,
№ 2. – С. 133 – 136.
8. Электрическая проводимость композиционных солевых стекол системы KHSO4 –
KH2PO4 – SiO2 / Г. М. Загоровский, В. Д. Присяжный, Г. П. Приходько, В.М. Огенко,
А. А. Крамаренко // Журн. прикл. химии. – 1999. – Т. 72, № 4. – С. 690 – 692.
9. Merinov B., Bourenkov G., Bismayer U. High-temperature superionic phase of mixed
proton conductor (Rb0.5[(NH4)0.43]3H(Se4)2): Dynamic twining and anomalous display of
dynamically disordered hydrogen atoms // Phys. Stat. Sol. (B). – 2000. – V. 218, № 2.–
P. 365 – 378.
10. Дослідження діелектричних властивостей волокнистого матеріалу / Л.М. Ганюк,
В.Д. Iгнатков, С.М. Махно, П.М. Сорока // Укр. фіз. журн. – 1995. – Т. 40, № 6.–
С. 627 – 629.
11. Электрофизические свойства системы полихлортрифторэтилен – дисперсный иодид
серебра в сверхвысокочастотном диапазоне / О.М. Гаркуша, П.П. Горбик, Л.С. Дзю-
бенко, В.В. Левандовский, С.Н. Махно, М.В. Бакунцева // Металлофизика и
новейшие технологии. – 2000. – Т. 22, № 8. – С. 12 – 18.
|
| id | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-243 |
| institution | Surface |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Russian |
| last_indexed | 2026-03-12T17:06:48Z |
| publishDate | 2007 |
| publisher | Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | surfacezbircomua/9c/cb853b868b98cf9932c8e01e9e46fa9c.pdf |
| spelling | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-2432018-11-27T09:40:57Z Electrophysical properties of nanostructured materials based on potassium dehydrophosphate with proton conductivity Электрофизические свойства наноструктурных материалов на основе дигидрофосфата калия с протонной проводимостью Electrophysical properties of nanostructured materials based on potassium dehydrophosphate with proton conductivity Garkusha, O. M. Kotenok, E. V. Makhno, S. N. Gorbyk, P. P. Electro-physical peculiarities comparative analyses in microwave range of composition systems are conducted on the basis of dihydrophosphate potassium (КН2РО4). Concentrational dependences of real and imaginary components of complex permittivity are obtained for the systems КН2РО4 – superfine silica, КН2РО4 – polyvinyl alcohol and КН2РО4 – polychlorotrifluoroethylene. Prospective administration is shown to create functional elements in alternative power engineering. Проведен сравнительный анализ электрофизических свойств композиционных систем на основе однозамещенного фосфорнокислого калия (КН2РО4) в СВЧ-диапазоне. Получены концентрационные зависимости действительной и мнимой составляющих комплексной диэлектрической проницаемости для систем КН2РО4 – высокодисперсный кремнезем, КН2РО4 – поливиниловый спирт и КН2РО4 – полихлортрифторэтилен. Показана возможность создания функциональных элементов для альтернативной энергетики. Electro-physical peculiarities comparative analyses in microwave range of composition systems are conducted on the basis of dihydrophosphate potassium (КН2РО4). Concentrational dependences of real and imaginary components of complex permittivity are obtained for the systems КН2РО4 – superfine silica, КН2РО4 – polyvinyl alcohol and КН2РО4 – polychlorotrifluoroethylene. Prospective administration is shown to create functional elements in alternative power engineering. Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2007-06-21 Article Article application/pdf https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/243 Surface; No. 13 (2007): Chemistry, Physics and Technology of Surface; 349-355 Поверхность; № 13 (2007): Химия, физика и технология поверхности; 349-355 Поверхня; № 13 (2007): Хімія, фізика та технологія поверхні; 349-355 3154-8091 3154-8083 ru https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/243/241 Авторське право (c) 2007 О.М. Garkusha, Е.V. Kotenok, S.N. Makhno, P.P. Gorbyk |
| spellingShingle | Garkusha, O. M. Kotenok, E. V. Makhno, S. N. Gorbyk, P. P. Electrophysical properties of nanostructured materials based on potassium dehydrophosphate with proton conductivity |
| title | Electrophysical properties of nanostructured materials based on potassium dehydrophosphate with proton conductivity |
| title_alt | Electrophysical properties of nanostructured materials based on potassium dehydrophosphate with proton conductivity Электрофизические свойства наноструктурных материалов на основе дигидрофосфата калия с протонной проводимостью |
| title_full | Electrophysical properties of nanostructured materials based on potassium dehydrophosphate with proton conductivity |
| title_fullStr | Electrophysical properties of nanostructured materials based on potassium dehydrophosphate with proton conductivity |
| title_full_unstemmed | Electrophysical properties of nanostructured materials based on potassium dehydrophosphate with proton conductivity |
| title_short | Electrophysical properties of nanostructured materials based on potassium dehydrophosphate with proton conductivity |
| title_sort | electrophysical properties of nanostructured materials based on potassium dehydrophosphate with proton conductivity |
| url | https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/243 |
| work_keys_str_mv | AT garkushaom electrophysicalpropertiesofnanostructuredmaterialsbasedonpotassiumdehydrophosphatewithprotonconductivity AT kotenokev electrophysicalpropertiesofnanostructuredmaterialsbasedonpotassiumdehydrophosphatewithprotonconductivity AT makhnosn electrophysicalpropertiesofnanostructuredmaterialsbasedonpotassiumdehydrophosphatewithprotonconductivity AT gorbykpp electrophysicalpropertiesofnanostructuredmaterialsbasedonpotassiumdehydrophosphatewithprotonconductivity AT garkushaom élektrofizičeskiesvojstvananostrukturnyhmaterialovnaosnovedigidrofosfatakaliâsprotonnojprovodimostʹû AT kotenokev élektrofizičeskiesvojstvananostrukturnyhmaterialovnaosnovedigidrofosfatakaliâsprotonnojprovodimostʹû AT makhnosn élektrofizičeskiesvojstvananostrukturnyhmaterialovnaosnovedigidrofosfatakaliâsprotonnojprovodimostʹû AT gorbykpp élektrofizičeskiesvojstvananostrukturnyhmaterialovnaosnovedigidrofosfatakaliâsprotonnojprovodimostʹû |