Бисульфат цезия
 | |||
| |||
| Идентификаторы | |||
|---|---|---|---|
3D model ( JSmol ) | |||
ПабХим CID | |||
| Характеристики | |||
| Cs H O 4 S | |||
| Молярная масса | 229.97 g·mol −1 | ||
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа). | |||
Бисульфат цезия или гидросульфат цезия представляет собой неорганическое соединение формулы CsHSO 4 . Цезиевая соль бисульфата представляет собой бесцветное твердое вещество, полученное соединением Cs 2 SO 4 и H 2 SO 4 . [1]
Характеристики
[ редактировать ]При температуре выше 141 °C CsHSO 4 является суперионным проводником . [1] Быстрая ионная проводимость возникает особенно в диапазоне этих температур из-за высокой активности протонов . [2]
По результатам рентгеновской кристаллографии структура состоит из тетраэдрических сульфатных центров, связывающих ионы цезия. Протон связан с кислородом на сульфате. [3]
CsHSO 4 проходит через три кристаллические фазы , которые называются фазами III, II и I. [4] CsHSO 4 первоначально существует в фазе III при комнатной температуре 21 °C. Фаза III варьируется от 21 °C до 90 °C с температурой перехода от 90 °C до 100 °C между фазой III и фазой II. Фаза II варьируется от 90 °C до 140 °C. При 140 °C CsHSO 4 претерпевает фазовый сдвиг от фазы II к фазе I. [5]
Фаза III (от 21 до 90 °C) и фаза II (от 90 до 140 °C) называются моноклинными фазами , в которых CsHSO 4 демонстрирует самую низкую протонную проводимость. По мере повышения температуры кристаллической структуры будут наблюдаться изменения объема элементарной ячейки и расположения ее водородных связей, что изменит способность кристаллической структуры CsHSO 4 обеспечивать перемещение протонов.
При 141 °C кристаллическая структура CsHSO 4 претерпевает структурное изменение от моноклинной фазы II к тетрагональной фазе , становясь фазой I. Фаза I имеет более повышенную кристаллическую симметрию и расширенные размеры решетки . Фаза I отмечена как суперпротонная фаза (фаза сильной проводимости), которая вызывает резкий рост протонной проводимости на четыре порядка, достигая 10 мСм/см. Это делает проводимость CsHSO 4 в десять раз сильнее, чем проводимость хлорида натрия водного раствора . В суперпротонной фазе движение тетраэдра SO 4 вызывает разрыв сети водородных связей, что ускоряет перенос протона. [5] Имеющиеся в структуре тетрагональные анионы ответственны за расположение водородных связей с движущимися протонами. [6]
Возможные применения
[ редактировать ]Максимальная проводимость чистого CsHSO 4 составляет 10 мСм/см, что слишком мало для практического применения. В композитах с SiO 2 , TiO 2 и Al 2 O 3 ) протонная проводимость ниже температуры фазового перехода увеличивается на несколько порядков. [7]
В отличие от гидратированных протонных проводников отсутствие воды в CsHSO 4 обеспечивает термическую и электрохимическую стабильность. Измерения электродвижущей силы (ЭДС) в камере для концентрации увлажненного кислорода подтвердили высокую ионную природу CsHSO 4 в его суперпротонной фазе. [8] Судя по тепловому вращению, напряжение оставалось неизменным в течение более 85 часов во время измерения, особенно при высокой температуре. [8] Эти результаты демонстрируют термическую независимость от окружающей среды с высокой влажностью. Кроме того, кристаллическая структура CsHSO 4 позволяет быстро транспортировать ионы меньшего размера, что приводит к эффективной передаче энергии в электрохимических устройствах.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Хайле, Сосина М.; Бойсен, датчанин А.; Чисхолм, Калум Р.И.; Мерл, Райан Б. (2001). «Твердые кислоты как электролиты топливных элементов» (PDF) . Природа . 410 (6831): 910–913. Бибкод : 2001Natur.410..910H . дои : 10.1038/35073536 . ПМИД 11309611 . S2CID 4430178 .
- ^ Синицын, В.В. (2010). «Влияние давления на фазовые переходы в суперпротонных проводниках MeHAO4 (A = S, Se и Me = NH4, Rb, Cs)». Журнал химии материалов . 20 (30): 6226–6234. дои : 10.1039/c0jm00052c .
- ^ Балагуров А.М.; Бескровный А.И.; Савенко Б.Н.; Меринов, Б.В.; Длоуга, М.; Вратислав, С.; Жирак (1987). «Структура дейтерированных CsHSO 4 и CsHSeO 4 при комнатной температуре ». Физический статус Солиди А. 100 (1): 3–7. Бибкод : 1987PSSAR.100....3B . дои : 10.1002/pssa.2211000146 .
- ^ Майя Мрочковска-Шершень, Мацей Секерский, Рафал Летмановский, Михал Пищ, Рената Циха-Сзот, Лидия Дудек, Славомир Фалькович, Гражина Жуковска и Магда Дудек. «Спектроскопическая проверка расширенной температурной стабильности суперионной фазы, полученной в процессе механосинтеза для композита CsHSO4/фосфосиликатное стекло». Институт нефти и газа, ул. Любич 25а, 31-503 Краков, Польша/Варшавский технологический университет Факультет химии, Отделение неорганической химии и технологии твердого тела Ul.Noakowskiego 3, 00-640 Варшава, Польша 3AGH – Университет науки и технологии, Факультет топлива и энергетики, Ал. Мицкевича 30, 30-059 Краков, Польша, нет данных в Интернете.
- ^ Jump up to: а б Отомо, Дзюнъитиро; Сигеока, Хитоши; Нагамото, Хидетоши; Такахаши, Хироши (2005). «Поведение фазового перехода и механизм протонной проводимости в композите гидросульфат цезия / кремнезем». Журнал физики и химии твердого тела . 66 (1): 21–30. Бибкод : 2005JPCS...66...21O . дои : 10.1016/j.jpcs.2004.07.006 .
- ^ Чан, Винг Ки. Структура и динамика водорода в нанокомпозитных твердых кислотах для применения в топливных элементах. Технический университет Делфта, Делфтский технологический университет, 2011 г.
- ^ Хироки Мурояма, Тошиаки Мацуи, Рюдзи Кикучи и Коичи Эгучи. «Комплексное влияние на структуру и протонную проводимость электролитов CsHSO4 при промежуточных температурах». (нд): н. стр. Кафедра энергетики и химии углеводородов, Высшая инженерная школа, Киотский университет, Нишикё-ку, Киото 615-8510, Япония, 13 апреля 2006 г. Интернет.
- ^ Jump up to: а б Уда, Тецуя, Дэйн А. Бойсен и Соссина М. Хайле. «Термодинамическая, термомеханическая и электрохимическая оценка CsHSO 4». Ионика твердого тела 176.1 (2005): 127-133.