BaCo_(0.7)Fe_(0.2)Nb_(0.1)O_(3-δ)透氧陶瓷膜空气侧Ce_(0.8)Y_(0.2)O_(2-δ)多孔涂层增进透氧性能研究

【摘要】随着石油储量越来越少、价格的不断上涨，使得如何将自然界中贮量丰富的天然气转化为基本有机化工产品和利用焦炉煤气（COG）制备廉价氢气燃料成为近期的研究热点。用透氧陶瓷膜反应器可以直接以空气作为氧源，使得纯氧的获得与甲烷部分氧化反应一步完成，从而大大降低了运行成本，提高了天然气、焦炉煤气化工过程的竞争力。离子-电子混合导体透氧陶瓷膜是部分氧化重整反应器中的关键材料，过去国内外研究者的兴趣主要放在开发各种新型的离子-电子混合导体透氧陶瓷膜材料体系上，并取得了大量卓有成效的成果。但是在实际工作条件下，反应器中透氧膜的高氧分压侧的氧交换过程往往成为整个透氧过程的一个限制性环节，而使用具有催化-透氧作用的纳米多孔涂层对透氧膜空气侧进行表面修饰，提高透氧速率的研究未见报道。BaCo0.7Fe0.2Nb0.1O3-（BCFN）具有较高的离子、电子导电性能和化学稳定性能，是一种优良的透氧陶瓷膜材料。本论文通过在BCFN透氧膜空气侧采用Ce0.8Y0.2O2-（YDC）多孔涂层进行表面修饰，进一步提高透氧膜的透氧速率，并对透氧-催化多孔涂层增进透氧的机理进行了深入研究。通过浸渍法将纳米YDC浆料均匀涂敷在BCFN透氧膜上，经过1000℃高温煅烧后，制备出了具有多孔涂层的BCFN/YDC透氧膜，涂层与透氧膜陶瓷基底之间的粘结牢固；BCFN和YDC材料有着良好的高温化学稳定性，没有发生反应生成新的物相。通过无压烧结方法制备了不同晶粒尺寸的YDC固体电解质纳米粉体，对晶粒生长规律的研究结果表明：在烧结过程中，晶粒的生长遵循抛物线规律，可表达为D2-D20kt。通过交流阻抗谱分析表明，相对于微米晶YDC材料，纳米晶YDC材料具有更高的总电导率和更低的氧离子迁移活化能，有利于降低固体电解质的工作温度。在900℃时，纳米晶材料的总电导率达到4.7×10-3S·cm-1。通过四电极法测量BCFN的总电导率和阻塞电极法测量BCFN的氧离子电导率，并计算了其电子电导率，研究结果表明：当温度低于550℃以下时，随着温度的升高总电导率和电子电导率均呈现出显著增加的趋势，没有明显的氧离子电导，表现为P型半导体的特征，计算得到在550℃以下电子电导的表观活化能为0.30eV；当温度在550℃-650℃之间时，由于BCFN晶格氧的脱附，消耗了电子空穴载流子，导致电子电导率略微下降；当温度高于650℃以上时，氧离子电导率随温度升高开始迅速增大，使得总电导率呈现缓慢上升的趋势。利用Wagner方程对BCFN透氧膜材料进行了理论透氧速率计算的研究结果表明：BCFN透氧膜的理论透氧速率随着低氧分压侧氧分压的降低而增加，BCFN透氧膜理论透氧速率随着温度的上升迅速增加。当低氧分压侧的氧分压在10-10Pa时，在650-825℃范围内，理论值与测试值非常吻合，随着温度上升，实际值逐渐与理论值偏差越来越大；并通过对BCFN透氧膜在透氧过程中氧渗透的限制性环节的研究，认为在表面交换控速和体相扩散控速转变过程中存在着对应的“特征氧分压差ΔPc”与“特征温度Tc”。通过COG部分氧化重整实验表明，YDC作为空气侧涂层，能显著提高BCFN透氧膜的透氧速率。当COG流量为162ml·min-1，空气流量为353ml·min-1时，BCFN/YDC透氧膜的透氧速率达到18.78ml·cm-2·min-1，比BCFN透氧膜的透氧速率提高了20.23%左右；经COG氧化重整实验后，透氧膜空气侧涂层仍然保持萤石型的多孔结构，BCFN的钙钛矿主晶相保持完整，说明BCFN/YDC透氧膜在高温条件下具有良好的化学稳定性。通过O2-TPD研究YDC和BCFN材料的氧气脱附行为的实验结果表明，相对于BCFN材料，YDC材料的低温氧脱附温度和高温氧脱附温度更低，具有更强的氧气脱附能力；通过H2-TPR研究YDC和BCFN材料的还原性能的实验结果表明，相对于BCFN材料，YDC具有更强的被还原能力；通过XPS对YDC多孔涂层的分析结果表明，YDC涂层在透氧实验后，发生Ce4+与Ce3+之间的转变，增加了氧空位，有利于氧的表面交换。通过ECR对YDC和BCFN材料的氧表面交换系数和扩散系数的研究结果表明，在500~650℃温度下，氧分压从0.21atm变化至0.0002atm的条件下，虽然YDC涂层材料的表面氧交换系数低于BCFN透氧膜材料，但是YDC材料具有更低的氧离子迁移活化能，说明YDC具有更高的体内氧扩散能力。根据电离能数据，Ce、Co、Fe元素从相同价态被还原所需的能量依次增大，即Ce元素更容易变价并释放电子；利用玻恩-哈伯热化学循环进行热力学计算的结果表明，1/2Ce2O3(s)＋1/2O(g)→CeO2(s)的标准反应Gibbs自由能最低，说明CeO2材料中存在的Ce3+更容易被氧化，并释放出电子，有利于表面吸附氧的催化还原。通过对BCFN/YDC透氧膜的透氧机理研究发现，由于多孔涂层材料具有更大的比表面积，有利于空气中的氧在涂层材料表面、涂层/BCFN/空气三相界面处吸附；涂层材料易于提供电子，促进氧分子变成氧离子；涂层材料具有大量的氧空位，有利于氧离子进入材料内部进行传输。正是由于上述特点，使得空气侧多孔催化-透氧涂层起到了显著的增进透氧效果。
【作者】袁强；
【导师】甄强；
【作者基本信息】上海大学，材料学，2014，博士
【关键词】BaCo0.7Fe0.2Nb0.1O3-；Ce0.8Y0.2O2-；多孔涂层；透氧速率；透氧机理；

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