郑启凡, 黎超群, 班孝款, 占忠亮, 陈初升

无机材料学报 2021, 36 (5): 497-501. DOI:10.15541/jim20200421

摘要（526）

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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80 μm的致密功能层, 两侧为厚度420 μm的直孔结构支撑层。采用浸渍法在支撑层内壁修饰Nd₂NiO₄₊_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0.6 mL·cm^-2·min^-1, 氧渗透在长达90 h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、化学稳定性和热机械性能, 有望用于氧气分离和富氧燃烧/CO₂捕获。

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80 μm的致密功能层, 两侧为厚度420 μm的直孔结构支撑层。采用浸渍法在支撑层内壁修饰Nd₂NiO₄₊_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0.6 mL·cm-2·min-1, 氧渗透在长达90 h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、化学稳定性和热机械性能, 有望用于氧气分离和富氧燃烧/CO₂捕获。

本工作采用相转化流延/叠层/烧结工艺, 制备直孔三明治结构Gd_0.1Ce_0.9O_2-_δ-La_0.6Sr_0.4FeO_3-_δ(GDC- LSF)双相复合透氧膜, 采用浸渍法在膜表面修饰Nd₂NiO₄₊_δ(NNO)纳米颗粒, 研究膜的氧渗透性能、CO₂耐受性和热循环性能。

采用普通流延法制备GDC-LSF致密功能层生胚, 浆料成分如表2所示。制备过程为: 将GDC、LSF粉体加入由乙醇、2-丁酮(2-Butanone)、三乙醇胺(TEOA)形成的溶液中, 球磨24 h。再加入聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、聚乙二醇-400(PEG-400)、邻苯二甲酸二丁酯(DBP), 球磨24 h后得到浆料。将浆料流延在薄膜载带上, 干燥24 h后备用。

为进一步研究NNO纳米颗粒修饰对表面氧交换的促进作用, 采用电导弛豫法表征GDC-LSF透氧膜。当环境气氛由纯氧切换为空气时, GDC-LSF晶格氧脱出(式(2)正向进行); 反之, 则气相氧溶入样品体相(式(2)逆向进行)。