[發明專利]一種高透氧率雙相致密透氧材料的制備方法

有效

• 申請號: 201210076096.0
• 申請日: 2012-03-21
• 公開（公告）號: CN102603298A
• 公開（公告）日: 2012-07-25
• 發明（設計）人: 趙海雷;陳婷;謝志翔;杜志鴻;王捷
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: C04B35/50
• 分類號: C04B35/50;C04B35/624
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司 11401
• 代理人: 皋吉甫

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技術領域

本發明屬致密陶瓷透氧膜材料領域，具體涉及一種高透氧率Ce_0.8Sm_0.2O_2-δ–PrBaCo₂O_5+δ雙相致密透氧膜材料的制備方法。

背景技術

21世紀的今天，隨著社會經濟的快速發展和人口的急劇增長，資源和能源短缺，生態環境日益惡化，尋找潔凈和可再生能源已迫在眉睫。氫能是一種高效清潔易存儲的二次能源，燃燒放熱量是汽油的3倍，是煤的5倍。混合導體透氧膜由于在高溫下具有氧離子導電特性，可以作氣體分離膜從含氧氣體中分離制取氧氣，進而用于甲烷部分氧化制氫。同時混合導體透氧膜在純氧制備、甲烷氧化偶聯制烴、富氧燃燒等過程中也顯示了廣闊的應用前景。按照材料的相組成不同，混合導體透氧膜可以分為單相混合導體透氧膜和雙相混合導體透氧膜。以La_1-xSr_xCo_1-yFe_yO_3-δ為代表的單相混合導體透氧膜由于氧空位濃度高，因此具有很高的氧滲透率。但由于晶格中的鐵和鈷易被還原、熱膨脹系數較大，因而材料的結構穩定性和機械性能較差，不適于實際生產應用。使用雙相混合導體透氧膜能夠有效解決上述問題，雙相混合導體由電子相和離子相構成，氧離子和電子在不同的材料中進行傳導，氧離子相通常采用具有高離子電導率和結構穩定性的固體電解質材料，電子相可以為貴金屬材料或陶瓷導電材料。雙相材料一般具有高穩定性和較低的熱膨脹系數。因此，是一種很有發展潛力的氧分離膜材料。

??????優異的雙相透氧材料需要滿足以下要求：(1)?具有較高的離子和電子電導率；(2)?在還原氣氛及高氧濃差梯度下有較好的結構穩定性；(3)兩相之間具有良好的化學相容性并且兩相的熱膨脹系數相匹配。研究進一步表明：在雙相混合導體透氧膜中使用金屬氧化物作為電子導體不僅可以傳導氧滲透過程所必須的電子，同時還可以傳導氧離子，進而提高雙相混合導體的氧離子滲透率?(X.F.?Zhu,?W.S.?Yang.?Composite?membrane?based?on?ionic?conductor?and?mixed?conductor?for?oxygen?permeation.?AIChE?J?54?(2008):665-672.)。英國《材料化學雜志》(G.?Kim,?S.?Wang,?A.J.?Jacobson,?L.?Reimus,?P.?Brodersen,?C.A.Mims.?Rapid?oxygen?ion?diffusion?and?surface?exchange?kinetics?in?PrBaCo₂O_5+x?with?a?perovskite?related?structure?and?ordered?A?cations.?J?Mater?Chem?17?(2007)?2500-2505.)報道了雙鈣鈦礦結構的PrBaCo₂O_5+δ材料與同結構的材料相比具有較快的氧離子擴散?(10^-5?cm?s^-1)及表面交換?(10^-3?cm?s^-1)，并且具有很高的電子電導率(900?S?cm^-1，500℃)。在該類材料中，氧空位局限在LnO層，氧離子只能在二維路徑進行傳輸，因此多晶致密PrBaCo₂O_5+δ材料中，氧離子傳輸路徑曲折、材料的透氧率低下?(K?Zhang,?Ge?L,?Ran?R,?Shao?ZP,?Liu?SM.?Synthesis,?characterization?and?evaluation?of?cation-ordered?LnBaCo₂O_5+δ?as?materials?of?oxygen?permeation?membranes?and?cathodes?of?SOFCs.?Acta?Mater?56?(2008)4876-4889.)。Ce_0.8Sm_0.2O_2-δ是一種常用的固體電解質，具有較高的離子電導率(0.1?S?cm^-1，900℃)，在很寬的氧分壓范圍內具有良好的結構穩定性。因此將Ce_0.8Sm_0.2O_2-δ和PrBaCo₂O_5+δ分別作為離子相和電子相可以得到一種透氧率較高的雙相混合導體透氧膜。