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。

相转化法制备的支撑层生胚具有典型的三层结构, 分别为孔隙率较低的皮肤层(上层), 含有直孔结构的指状孔层(中部), 含无序孔的海绵层(下层)(图4(a))。将皮肤层分别贴合在致密层生胚两侧, 经热压叠压、烧结得到GDC-LSF透氧膜, 其中部为厚度80 μm的致密功能层, 两侧分别为厚度420 μm的直孔结构支撑层(图4(b))。由于支撑层生坯的海绵层主要成分为石墨, 在烧结过程中去除, 使得指状孔与大气连通(图4(c))。采用浸渍法引入的NNO纳米颗粒均匀附着在GDC-LSF基体上, 彼此间形成连通网络(图4(d))。采用阿基米德法测得支撑层的孔隙率约为51%。GDC-LSF透氧膜的抗弯强度为37.4 MPa。