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。

图6(a)给出了850 ℃时样品的电导弛豫曲线。经NNO修饰后, 氧溶入、脱出GDC-LSF体相的弛豫时间均显著缩短。在800~900 ℃温区, 拟合电导弛豫曲线得到样品的表面氧交换系数k_ex。对应的Arrhenius曲线如图6(b)所示。当环境氛围由空气切换至纯氧时, NNO修饰样品在800和900 ℃的k_ex分别为1.97×10-3和3.93×10-3 cm·s-1, 对应的表观活化能为(70.91±3.85) kJ·mol-1。未修饰样品在800和900 ℃时的k_ex分别为0.33×10-3和1.50× 10-3 cm·s-1, 对应的表观活化能为(157.48± 12.18) kJ·mol-1。实验表明, NNO纳米颗粒可显著促进空气侧膜表面的氧溶入及渗透侧的氧析出, 降低表面氧交换过程的活化能, 提高表面氧交换速率。