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。

在800~900 ℃温区测试GDC-LSF透氧膜的氧渗透性能, 空气和He注入速率分别固定为200和440 mL·min-1。如图5所示, 对于经NNO修饰的样品, 800 ℃时的氧渗透通量为0.91 mL·cm-2·min-1, 温度升至900 ℃时达到1.53 mL·cm-2·min-1, 表观活化能为(53.74±0.54) kJ·mol-1。而对于未修饰样品, 其在800 ℃时的氧渗透通量为0.06 mL·cm-2·min-1, 在900 ℃时升至0.38 mL·cm-2·min-1, 表观活化能为(194.69±4.59) kJ·mol-1, 远高于NNO修饰的样品, 以及文献报道的GDC离子传导活化能(0.47~ 0.77 eV)[16,17]。氧渗透过程包括气相物质输运、体扩散和表面氧交换等步骤。由于透氧膜的支撑层为直孔结构, 有利于气相物质传输, 有效减小了浓差极化效应[4]。致密层厚度较薄(~80 μm), 有效降低了体扩散阻力。因此, 对于未修饰样品, 表面氧交换很可能是氧渗透的速率决定步骤。对于NNO修饰的样品, 其氧渗透通量远大于未修饰样品, 前者的表观活化能则远小于后者。显然, NNO纳米粒子修饰促进了表面氧交换。