《混合導體透氧膜的空氣側塗層及增進透氧機理》是依託上海大學，由甄強擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：混合導體透氧膜的空氣側塗層及增進透氧機理
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：甄強
- 依託單位：上海大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
透氧陶瓷膜材料在合成氣製備、氧氣分離、烴類的膜催化反應、甲烷部分氧化重整制氫等方面有廣闊的套用前景。在實際工作條件下，氣相中的氧與透氧膜的交換過程往往成為透氧過程的限制型環節。本項目通過研究Ba1.0Co0.7Fe0.2Nb0.1O3-δ混合導體透氧膜空氣側表面塗敷超細晶粒多孔塗層的製備方法，提高其透氧能力；同時研究塗層材料晶粒細化對多孔塗層物相成分、微觀結構、氧離子傳導性能、成分和化學狀態變化、氧的表面交換行為以及對氧氣吸/脫附行為的影響規律；分析塗層表面氧交換的熱力學過程，確定其促進透氧性能提高的機理，建立多孔塗層表面氧交換速率動力學模型。通過在甲烷部分氧化重整透氧膜反應器中套用，研究空氣側多孔塗層促進透氧量提高的效果和使用前後塗層/透氧膜材料化學成分、物相組成、微觀結構的變化。為探索在空氣側改善透氧陶瓷膜透氧能力的方法、原理和選擇塗層材料體系提供理論依據。
結題摘要
通過共沉澱以及水熱法分別製備了Ce0.8Y0.2O1.8（YDC）和Bi2O3-MoO3納米粉體，並研究了液相反應機理；選擇合適的造孔劑、結合劑和燒結制度，最終在BaCo0.7Fe0.2Nb0.1O3-δ（BCFN）透氧膜空氣側成功塗覆了YDC和Bi2O3-MoO3的多孔塗層，塗層具有足夠的粘附強度；通過高溫XRD和高溫Raman分別研究的結果表明，在塗層燒結過程中BCFN的結構沒有被破壞；通過研究了YDC多孔塗層材料的晶粒生長動力學，為確定塗層材料晶粒尺寸變化提供了依據；交流阻抗譜的測試結果表明，YDC塗層材料晶粒細化有利於固體電解質總電導率的提高；分別採用四電極法和阻塞電極法研究了BCFN透氧膜材料的總電導率和氧離子電導率，並計算了BCFN的理論透氧量；將空氣側塗覆有兩種多孔塗層的BCFN透氧膜片套用於甲烷部分氧化重整試驗中，研究結果表明，塗覆塗層後透氧量顯著提高；通過XRD和SEM對透氧試驗前後樣品的物相和結構的分析結果表明，YDC塗層和透氧膜在透氧試驗中具有良好的穩定性能，Bi2O3-MoO3塗層成分發生了明顯的變化，但是沒有破壞透氧膜的整體結構；採用電導弛豫法（ECR）結合氧傳輸的動力學方程研究了BCFN透氧膜和YDC塗層材料的表面氧交換係數和體內氧擴散係數，結果表明塗層材料雖然表面氧交換係數低於BCFN透氧膜材料，但具有更高的體內氧擴散能力；採用O2-TPD和H2-TPR分別對BCFN和塗層材料的研究結果表明，相對於BCFN透氧膜材料，塗層材料具有更高的氧脫附能力和還原能力，有利於氣相中氧的表面交換；XPS能譜分析結果證明，經過摻雜後和晶粒細化後，YDC塗層材料的吸附氧峰面積明顯大於BCFN透氧膜材料，並且隨著氧分壓的降低， Ce3+=Ce4++e之間的轉變更容易發生，產生的氧空位和電子，更有利於促進O2+4e+2Vacancies=2O2-反應的進行，為氧分子的表面交換和氧離子的傳輸都提供了有利條件。結合BCFN透氧膜中的Co、Fe元素和塗層材料中Ce元素的電離能數據，由於Ce元素的同一級的電離能均低於BCFN透氧膜中的Co、Fe元素，使得1/2Ce2O3(s) ＋1/2 O(g)→CeO2(s)反應的標準吉布斯自由能更低，說明自發趨勢就越大，更有利於氣相中氧的交換。綜合上述研究結果，詳細分析了空氣側塗層的增進透氧機理。
