以电子电导为主的混合导体氧分离膜的材料制备及氧渗透性质的研究

摘要

钙钛矿型混合导体氧化物在纯氧制备、燃料电池电极以及膜反应器等方面有着十分诱人的应用前景，受到研究者的广泛重视。一方面，复合氧化物功能材料的性质受制备方法的影响较为明显，制备参数的轻微改变也可能会对所得粉体的性质和其应用带来重要影响。另一方面氧渗透膜材料组成对于提高其导电性能，提高膜的氧通量，解决操作条件下膜的稳定性等问题是工业化应用的关键。因此，通过优化现有混合导体膜材料制备方法和组成以获得具有高氧通量及良好稳定性的膜材料已成为当前关注的焦点之一。
　　 本文在实验室前期工作的基础上，借助于X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜-元素分析(SEM-EDX)、四探针电导、程序升温氧脱附(O2-TPD)等分析测试手段对钙钛矿型混合导体膜的材料制备、氧渗透性能、材料的优化及透氧机理研究上作了一些系统性的探索。首先，考察以硝酸铵自燃烧法制备La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ(LSCF)混合导体氧化物的燃烧热行为，引入已成相的LSCF作为燃烧催化剂的影响。总的来说，LSCF催化剂的引入和非对称前驱体形式的采用可以减少硝酸铵用量，促进自燃烧程度和粉体对双氧水的催化性能。
　　 其次，采用自燃烧法制备LSCF复合氧化物作为混合导体氧分离膜，随着焙烧温度的提高，其电导和氧渗透通量相应提高。加入适量硝酸铵的自蔓延式燃烧所得的粉体相应材料的电导最高，在550℃达到～250 S·cm-1，900℃最高氧渗透通量为～4.46×10-1mol·cm-2·s-1。由于自燃烧制得的一次粉体中仍然有以碳形式存在的有机残留物，所以有必要对粉体进行较低温度的预烧。
　　 随后对于Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ(BSCF)混合导体材料的研究主要是从AB位金属离子非化学计量比对材料的影响出发。在实际情况中，造成金属离子缺陷的原因很多，比如粉体合成过程，高温烧结过程中的氧交换和渗透过程中，因此研究A位金属离子缺陷BSCF具有实际意义。研究结果表明，A位金属离子缺陷的上限为15％左右，缺陷的引入导致晶胞的略微收缩，但不会改变相稳定性。总的来说，A位缺陷的引入会抑制B位金属离子的价态的升高，电荷补偿方式主要以产生额外氧空穴方式为主，会降低材料的电子电导。通过CO2-TPD证明，A位缺陷引入促进了A位离子的迁移速率，有利于膜片的烧结性能的提高。氧渗透结果表明微量的A位金属离子缺陷有利于氧渗透通量的提高，(Ba0.5Sr0.5)1-0.03Co0.8Fe0.2O3-δ的膜在900℃的氧渗透通量达到3.5×10-6mol·cm-2·s-1，进一步提高缺陷程度将引入较强的缺陷缔合，形成氧空穴的有序化，阻碍氧离子的传导。但膜长时间氧渗透稳定性说明，在氧渗透过程中A位金属离子缺陷的引入加速了A位碱土离子向表面的偏析，使得氧渗透通量趋于衰减。根据此结果，我们引入B位金属离子缺陷，提高氧渗透稳定性。研究结果表明，相比A位缺陷BSCF容忍缺陷程度下降，B位金属离子缺陷的引入导致B位金属离子价态降低，同时也不利于材料烧结性能和电导性能。少量的缺陷Ba0.sSr0.5(Co0.8Fe0.2)0.97O3-δ的膜在900℃的氧渗透通量达到～2.4×10-6mol·cm-2·s-1，有助于稳定长时间的氧渗透通量。对于B位金属离子的缺陷的引入，限制了体相氧离子的传导但对氧的表面交换有利，所以在低氧浓差梯度下，使得相比计量比BSCF其氧传导的速率控制由表相氧交换速率控制转向体相控制。
　　 最后，我们通过对以电子电导为主体的La0.4Sr0.6CoO3-δ(LSC)膜为研究对象，通过氧渗透测试和模型计算，发现氧传导为氧的体相扩散和表相交换混合控制，求得的Dv为2.49～9.97×10-5cm2·s-1从800～950℃，而ka为2.12～5.43×10-3cm·s-1·atm-0.5。本实验范围内，膜特征厚度为0.6～2.2 mm，为温度和氧分压的函数。对氧在两个表面和体相传导阻力的研究发现，表相阻力与体相阻力基本相当，在低氧分压侧的氧表面交换阻力远大于高氧分压侧。为提高膜的氧渗透通量，需制备薄膜致密膜或在低氧分压侧进行表面修饰，在理想状态下膜的氧渗透通量最大可达～2 ml·cm-2·s-1[STP](950℃)。
　　 总的来说，采用自燃烧法改进混合导体材料的制备方法，引入AB位非化学计量比的金属离子作为一种开发改进材料方法，结合氧渗透和模型计算深入分析混合导体氧传导性质加以改进，都可以成为提高钙钛矿型混合导体性能的途径。