SDC-BCCF双相透氧膜材料的合成及透氧性能研究

为了提高透氧膜材料的稳定性和透氧量,通过一锅法合成了Ce_(0.8)Sm_(0.2)O_(1.9)(50%,质量分数,下同)-BaCe_(0.1)Co_(0.3)Fe_(0.6)O_(3-δ)(50%)(SDC-BCCF)萤石-钙钛矿双相透氧膜材料,并系统考察了透氧温度、膜片厚度和氧分压梯度(吹扫气速率)对SDC-BCCF双相透氧膜透氧性能的影响.XRD表征表明,SDC萤石相和BCCF钙钛矿相可均匀相容于SDC-BCCF双相材料中,但是细微分析发现,材料中仍有微量BaCeO_3钙钛矿杂相的存在.SEM表征表明,在1 450℃焙烧条件下可以获得致密的SDC-BCCF双相透氧膜膜片.氧渗透实验表明,温度的升高、膜片厚度的下降以及吹扫气流速率的增加均有利于SDC-BCCF透氧膜透氧量的提升,其中0.5mm厚度的SDC-BCCF双相透氧膜片在950℃下透氧量可达到0.71mL/(min·cm2).通过对SDC-BCCF膜片速率控制步骤的考察可以发现,当SDC-BCCF膜片厚度大于或等于0.7mm时,透氧过程为体相扩散控制;当膜片厚度小于0.7mm时,透氧过程逐步转为表面交换控制.     

K0.1Sr0.9Co0.8Fe0.2O3-δ透氧膜材料的合成及透氧性能研究

通过溶胶-凝胶法制备了一种新型钾离子掺杂钙钛矿透氧膜材料K_(0.1)Sr_(0.9)Co_(0.8)Fe_(0.2)O_(3-δ)(KSCF),并系统考察了该透氧膜材料的透氧量、稳定性和速率控制步骤等.XRD表征显示,钾离子在钙钛矿A位掺杂量低于或等于10%不会改变KSCF立方钙钛矿结构.SEM分析显示,KSCF膜片在1 220℃焙烧可高度致密,并且KSCF长期放置仍然保持了高机械强度,不会出现类似SrCo_(0.8)Fe_(0.2)O_(3-δ)(SCF)材料的粉化解体.氧渗透实验结果表明,操作温度的升高、膜片厚度的降低以及吹扫气流速的增加均有利于膜片透氧量的提升,厚度为0.5 mm的KSCF膜片在950℃时的透氧量可达2.65 mL/(cm~2·min).对比实验表明,基于同样测试条件KSCF透氧膜的透氧量比SCF材料的透氧量更高.通过对KSCF膜片的速率控制步骤考察可以发现,当KSCF透氧膜膜片厚度低于0.7 mm时,其透氧过程为表面交换控制,当膜片厚度高于0.7 mm时,其透氧过程则会转化为体相扩散控制.     

LSCF系钙钛矿型致密透氧膜的制备及其透氧性能

通过柠檬酸-EDTA络合法合成了不同的A位Sr取代的LSCF系钙钛矿型粉体材料La0.1Sr0.9Co0.8Fe0.2O3-δLa0.3Sr0.7Co0.8Fe0.2O3-δLa0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ和La0.8Sr0.2Co0.8Fe0.2O3-δ采用XRD测试手段对粉体及膜片的晶体结构进行了表征.用静压片法制备透氧膜,并测定了LSCF系钙钛矿膜的透氧量,分析了温度和A位Sr不同掺杂量等因素对膜透氧性能的影响.结果表明,该系列膜的透氧量均随着温度升高而增大,随着Sr掺杂量的增加而增大.并在850℃下对透氧膜100h透氧稳定性进行实验研究,结果表明,膜片的透氧量随时间没有明显变化,表现出良好的稳定性.     

P掺杂对Ba(Co_(0.88)Nb_(0.12))_((1-x))P_xO_(3-δ)透氧膜透氧稳定性的影响

利用固相合成法制备了P掺杂的BaCoNbO_(3-δ)钙钛矿透氧膜片,研究了P掺杂对该透氧膜材料透氧率及稳定性的影响。在850℃下,BCN膜在透氧过程中有部分六方相生成,造成其透氧量急剧衰减,其透氧稳定性较差。掺杂P后,尽管初始透氧量有所下降,但其稳定性得到了一定程度的改善,在850℃下透氧50h后,BCNP_(0.03)的透氧量仅下降约5%,仍可达到1.5mL/(cm~2·min)。XRD、TPD及热分析结果表明,P掺杂后抑制了材料中晶格氧的脱附,提高了相结构稳定性。     

表面涂覆对BaCo_(0.7)Fe_(0.2)Nb_(0.1)O_(3-δ)透氧膜耐CO_2腐蚀性能的影响

利用固相合成法制备了表面涂敷多孔Sm0.7Sr0.3CoO3-δ(SSC)材料的BaCo0.7Fe0.3-x Nbx O3-δ(BCFN)钙钛矿透氧膜片,研究了SSC涂覆对BCFN膜材料透氧量及其结构稳定性的影响。研究发现,表面涂覆多孔SSC可明显提高BCFN透氧膜的抗CO2腐蚀性能。无涂覆的BCFN在5%CO2吹扫条件下透氧60h后透氧量降低了85%,而在同样条件下对BCFN进行表面涂覆改性后透氧量仍可达1.3 mL/cm2·min,透氧率降低约31%。     

钙钛矿型氧化物混合导体透氧膜材料的选择

在总结文献和实验数据的基础上提出了选择高性能钙钛矿型氧化物混合导体透氧膜材料的策略，应用此策略对几种钙钛矿型透氧膜材料的性能作了合理的解释，并在此基础上开发了具有高透氧量的Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ材料和具有长期稳定性的BaCo0.4Fe0.4Zr0.2O3-δ材料。     

混合导电体Y1-xLaxBa2Cu3O7-δ透氧膜的透氧性能研究

用稳态法研究了具有类钙钛矿结构的Y1-xLaxBa2Cu3O7-δ(x=0.1、0.3、0.5、0.8和1.0)致密透氧膜在750～1000℃之间的透氧量.实验发现,透氧速率随着La替代Y的比例x的增加而增加;在大约875℃,氧空位的有序-无序转变导致透氧率有一个突然增加.透氧膜的两侧分别为He气氛和空气,当La完全替代Y时,厚1.0mm的LaBa2Cu3O7-δ膜的透氧量达到1.22μmol/s.cm2(1.64 mL/min.cm2).     

共沉淀法制备Cu掺杂的钙钛矿型混合导体透氧材料

采用并流共沉淀法合成了掺杂Cu的钙钛矿型混合导体透氧膜材料.考察了pH值、陈化时间等制备条件对前驱体性质和膜片透氧性能的影响,采用TG-DSC考察了复合氧化物粉体的生成过程,采用XRD、TEM对粉体的结构和形态进行了表征,对材料进行了透氧性能测试并与固相反应法作了比较.结果表明,pH=10～11,陈化时间为10小时是最佳的前驱体制备条件,合成温度为800℃即可得到纯相钙钛矿结构的粉体,其平均颗粒直径为90nm,透氧测试结果显示,制备方法和Cu掺杂量对膜片的透氧性能有显著影响,900℃时共沉淀法制备的SrFe0.6Ti0.1Cu0.3O3-δ的透氧量达到O.64ml·min～·cm-2(STP).     

利用激光刻蚀技术提高Ba_(0.5)Sr_(0.5)Co_(0.8)Fe_(0.2)O_(3-δ)膜的透氧能力(英文)

利用激光刻图机对Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ(BSCFO)透氧膜表面进行刻蚀,以提高膜表面的比表面积,改善膜的氧表面交换能力,从而达到提高透氧量的目的.研究结果表明,激光刻蚀在膜表面形成宽150μm,深25μm的条纹,可以显著提高膜表面的比表面积.XRD图谱显示,激光刻蚀不会引起BSCFO相结构的变化.透氧量测试表明,激光刻蚀可以增大透氧量,十字交叉双面刻蚀效果更加显著.十字交叉双面刻蚀后,其透氧量比未用激光处理的样品提高了大约34%.     

BaCo_(0.7)Fe_(0.2)Nb_(0.1)O_(3-δ)非对称透氧膜的制备和研究

主要研究了BCFN非对称透氧膜的制备。采用了3种不同的方式制备BCFN多孔支撑体,并对其渗透性能和孔隙分布进行分析,发现采用干压成型方式制备的多孔支撑体的综合性能较其它两者更为优越。同时在用浸渍工艺制备致密膜层的过程中,通过调整浆料浓度和浸浆时间可以有效地控制膜层厚度和完整性。在浓度为20%(质量分数)的浆料中浸渍2min,可得到厚度约30μm、没有裂纹且表面平整的致密层。透氧实验的结果表明,相同条件下非对称膜的透氧率比致密膜提高了3倍左右且可以在850℃温度下长时间稳定工作。     

系统选择钙钛矿型透氧膜材料

提出了一套系统选择具有高选氧能力、结构稳定性及热化学稳定性的钙钛矿型混合氧离子电子导体透氧膜材料的策略,在此策略指导下开发出了若干新的导体膜材料,采用了标准陶瓷法、络合法等对材料进行了合成,采用色谱法及X射线粉末衍射法分别对其透氧性能与稳定性进行了测定与表征,并将其与几种典型透氧膜材料进行了比较。结果表明此系列材料确实具有预期的透氧性能与结构和热化学稳定性。典型材料,Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ导体膜在850℃下透氧量达1.16mL[STP],cm^-2.min^-1,并在长达1000多小时的测定中保持稳定的透氧能力。     

陶瓷中空纤维透氧膜的制备与性能

应用相转化法制备了La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O_3-α(LSCF)氧离子-电子混合传导陶瓷中空纤维膜, 该陶瓷中空纤维膜具有由多孔层和致密层组成的非对称结构. 经 1300℃的4h烧结后, 可得到致密的LSCF陶瓷中空纤维膜. 烧结后, LSCF粒度变大而其钙钛矿型晶相结构没有发生变化. LSCF中空纤维膜的透氧速率大大高于一般管式膜的氧透量.     

担载型中空纤维混合导体氧渗透膜的制备与性能研究

采用干湿法纺丝技术制备Sr_0.7Ba_0.3Fe_0.9Mo_0.1O_3-δ(SBFM)中空纤维支撑体, 以Nb₂O₅掺杂的SrCo_0.8Fe_0.2O_3-δ (SCFNb)为膜材料, 采用旋转喷涂结合共烧结技术制备出担载型SCFNb/SBFM中空纤维氧渗透膜。借助于XRD、SEM、热膨胀分析、透氧及膜反应性能测试等手段, 分别对样品的晶相结构、膜微观结构、支撑体与膜层的烧结行为、膜的氧渗透通量及膜反应性能进行了研究。结果表明, 膜层与支撑体的晶相结构仍保持钙钛矿主体相。支撑体具有单一海绵孔/指状孔结构, 膜厚为5 μm且致密无缺陷, 膜层与支撑体结合良好。在900℃时, 氧渗透通量达到0.74 mL/(cm²·min)。850℃下甲烷部分氧化膜反应稳定操作超过200 h, 稳态下氧渗透通量为4.5 mL/(cm²·min)。研究表明, 担载型SCFNb/SBFM中空纤维氧渗透膜具有较高的氧渗透通量, 同时具有良好的膜反应稳定性。     

混合导体透氧膜材料的开发及应用

介绍开发的混合导体透氧膜材料ZrO2掺杂的SrFe0.6Co0．4O3-δ类钙钛矿型氧化物及Sr(Co，Fe，Zr)O3-δ系列钙钛矿型氧化物的晶体结构、氧渗透性能、稳定性，以及应用于甲烷部分氧化制合成气膜反应器的性能，并就今后研究开发方向作了探讨．     

系统选择钙钛矿型透氧膜材料

提出了一套系统选择具有高透氧能力、结构稳定性及热化学稳定性的钙钛矿型混合氧离子电子导体透氧膜材料的策略,在此策略指导下开发出了若干新的导体膜材料．采用了标准陶瓷法、络合法等对材料进行了合成,采用色谱法及Ｘ射线粉末衍射法分别对其透氧性能与稳定性进行了测定与表征,并将其与几种典型透氧膜材料进行了比较．结果表明此系列新材料确实具有预期的透氧性能与结构和热化学稳定性．典型材料,Ｂａ０．5Ｓｒ０．５Ｃｏ０．８Ｆｅ０．２Ｏ３－δ导体膜在８５０℃下透氧量达１．１６ｍＬ［ＳＴＰ］·ｃｍ－２·ｍｉｎ－１,并在长达１０００多小时的测定中保持稳定的透氧能力．     

焦炉煤气部分氧化重整制氢用透氧膜材料的研究

为了研究混合导体透氧膜材料用于焦炉煤气(COG)部分氧化重整制氢的可行性,本文通过XRD研究了BaCo_(0.7)Fe_(0.2)Nb_(0.1)O_(3-δ)(BCFN)和Ba_(0.5)Sr_(0.5)Co_(0.8)Fe_(0.2)O_(3-δ)(BSCF)材料在高温H_2、CO_2气氛条件下相成分的变化;通过TG研究材料在不同气氛和温度条件下的重量变化;通过四电极法对透氧膜材料总电导率随温度的变化规律进行了研究;同时研究了透氧膜材料在焦炉煤气部分氧化重整条件下的透氧量。研究结果表明, BCFN比BSCF在H_2和CO_2气氛下具有更好的高温化学稳定性。BCFN中加入YSZ后,制备出了两相混合导体材料,可显著提高BCFN的高温化学稳定性能和力学性能,但YSZ的加入量>5%时,材料的电导率会明显下降,将会降低材料的透氧性能。     

直孔三明治结构GDC-LSF双相复合透氧膜制备和性能研究

致密陶瓷透氧膜因在氧气制备和涉氧化工过程中的潜在重要应用而备受关注。本研究采用相转化流延/叠层/烧结工艺制备了三明治结构Gd_0.1Ce_0.9O_2–δ-La_0.6Sr_0.4FeO_3–δ(GDC-LSF)双相复合陶瓷透氧膜,其中部为起氧分离作用、厚度80μm的致密功能层,两侧为厚度420μm的直孔结构支撑层。采用浸渍法在支撑层内壁修饰Nd₂NiO_4+δ(NNO)纳米颗粒。在膜的一侧通入空气,另一侧通入氦气作为载气,测得900℃时氧渗透通量高达1.53 mL·cm^-2·min^-1。将氦气切换为CO₂,测得氧渗透通量为0.6mL·cm^-2·min^-1,氧渗透在长达90h的时间内保持稳定。该透氧膜经历70余次热循环(800～900℃)后仍保持完好。本研究表明:直孔三明治结构GDC-LSF透氧膜具有良好的氧渗透性能、...     

Cr掺杂Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.1Cr0.1O3-δ钙钛矿型膜的透氧性能研究

采用固相反应法合成了钙钛矿型Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2-xCrxO3-δ(x=0.00,0.10)透氧膜粉体。利用XRD和SEM研究了Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2-xCrxO3-δ(x=0.00,0.10)的晶体结构和烧结性能,考察了在700~850℃范围内Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2-xCrxO3-δ(x=0.00,0.10)膜片的氧渗透性能。结果表明,它们均显示出优良的透氧性能,850℃时的透氧量分别为1.05mL/(min.cm2)、0.85mL/(min.cm2)。透氧稳定性的研究表明,Cr掺杂Ba0.5Sr0.5-Co0.8Fe0.1Cr0.1O3-δ在800℃时显示出较高的稳定性,证实用Cr离子部分取代Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ的Fe离子能明显提高钙钛矿的结构稳定性。     

SrCo0.8Fe0.1Sn0.1O3-δ管状透氧膜制备与分离性能表征

用传统塑性挤出法制备SrCo0.8Fe0.1Sn0.1O3-δ(SSCF)致密管状透氧陶瓷膜,并表征了所制备样品的相组成和氧分离性能.研究发现固相反应法制备的SSCF陶瓷粉体,所经过的泥料及塑性成型过程(含去离子水),在1270℃烧成后不会对透氧膜的相组成(由均为立方钙钛矿相的主晶相和少量杂质相构成)产生影响.所获得的SSCF管状透氧膜样品(壁厚1.35mm),在PO2(h)=0.211×105Pa和PO2(l)=0.12×105Pa的较小氧分压梯度下,可以获得0.5×10-6mol/(cm2·s)的氧渗透率(STP);并且在940℃和固定吹扫氦气流量75ml/min的情况下,该样品能长时间保持1.2×10-6mol/(cm2·s)的氧渗透率.     

SrCo（0．8）Fe（0．2）O（3-δ）管状非对称陶瓷膜的制备与氧渗透研究

用共烧法制备了以(SrCo0.8Fe0.2O3-δ)0.85(SrSnO3)0.15(SCF-SS)多孔层为支撑体和SrCo0.8Fe0.2O3-δ(SCF)致密层为顶层膜的管状非对称透氧陶瓷膜;并对其相组成、微形貌以及氧分离性能进行了表征.研究发现: SCF和SCF-SS之间有较好的兼容性;当共烧温度为1150℃时,获得的非对称陶瓷膜的致密层厚度为50μm,支撑体的显气孔率为19.3%;900和800℃时,非对称膜样品(壁厚1.4mm,外径10.3mm,长度为4.1cm)的氧渗透率分别为1.91和1.01mL·cm-2·min-1,分别比同样几何尺寸的SCF对称膜样品高24%和36%.