[發明專利]一種雙金屬摻雜的混合導體透氧膜及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201510037906.5
• 申請日: 2015-01-26
• 公開（公告）號: CN104860667B
• 公開（公告）日: 2017-04-12
• 發明（設計）人: 江河清;賀廣虎;梁文淵;張艷;焦成麗
• 申請（專利權）人: 中國科學院青島生物能源與過程研究所
• 主分類號: B01D71/02
• 分類號: B01D71/02
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司21002
• 代理人: 周秀梅,李穎

技術領域

本發明屬于氧離子-電子混合導體透氧膜技術領域，具體涉及一種雙金屬摻雜的混合導體透氧膜及其制備方法和應用。

背景技術

氧離子-電子混合導體透氧膜是一類同時具有氧離子和電子導電性能的新型陶瓷膜材料。當透氧膜兩側存在氧分壓差異時，氧以氧離子的形式通過氧空穴由高氧分壓區向低氧分壓區傳導，同時電子通過變價金屬離子之間的跳躍朝相反的方向傳導。因此，此類膜材料不需要外加電路就可實現氧傳遞過程不斷的進行，而且理論上對氧的選擇性為100％。

鈦礦型透氧膜已經在純氧制備，固體燃料電池、甲烷資源化利用、CO₂捕獲和利用、NO_x資源化利用、水分解制氫等領域呈現出廣泛的應用前景。在實際的應用中，混合導體透氧膜需要同時滿足1)具有盡可能高的滲透通量；2)在操作條件下穩定性好。鈣鈦礦類型混合導體透氧膜的研究是最為活躍的一個領域，目前已經開發出的SrCo_0.8Fe_0.2O_3-δ鈣鈦礦型透氧膜滲透通量達到0.023mol?m^-2s^-1，基本滿足工業化應用的要求，但是這類透氧膜具有較大的熱膨脹系數、其中含有的Co易于揮發、并且在低氧分壓環境下Co離子易被還原成金屬態，改變鈣鈦礦晶體結構，導致透氧量顯著降低，大大限制了Co基鈣鈦礦透氧膜的工業化應用。

對于Co基鈣鈦礦透氧膜穩定性差的缺點，人們一般采取的辦法是1)開發Fe基、Cr基等鈣鈦礦透氧膜，同時摻雜低價態(Mg、Zn、Al)離子形成氧空位，2)在Co基鈣鈦礦氧化物中摻雜諸如Ti、Zr離子，使透氧膜的結構更加穩定。這兩種方法雖然可以提高Co基鈣鈦礦透氧膜的穩定性，但是都會造成氧滲透通量明顯降低。因此如何獲得穩定、高滲透通量的鈣鈦礦透氧膜成為工業化應用的主要挑戰。

發明內容

本發明的目的在于提供一種雙金屬摻雜的混合導體透氧膜及其制備方法和應用。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種雙金屬摻雜的混合導體透氧膜，透氧膜是在Ba_0.6Sr_0.4FeO₃基鈣鈦礦氧化物中的B位摻雜兩種金屬離子，從而形成雙金屬摻雜的鈣鈦礦氧化物。

所述透氧膜分子式為Ba_0.6Sr_0.4Fe_1-x-yM_xN_yO_3-δ，其中M為低價態且不易被還原的金屬離子中的一種，N為還原氣氛下穩定且離子半徑較大的金屬離子中的一種，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤δ≤1。

優選，雙金屬摻雜的Ba_0.6Sr_0.4Fe_1-x-yM_xN_yO_3-δ鈣鈦礦型混合導體透氧膜材料為Ba_1-xSr_xFe_1-y-zMg_yZr_zO_3-δ，其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1。

所述M金屬離子為Mg、Zn、Y、Sc、Gd或Al；N金屬離子為Ti、Zr、Ta或Nb。