钙钛矿型质子氧离子导体输运特征研究

摘要

随着石油资源的逐步消耗,氢气作为一种洁净能源而备受科研工作者的重视:氢气也是一种应用广泛的化工原料,如合成氨工业,加氢脱氢反应等.氢分离对于很多的化工过程具有十分重要的意义.BaCe<,0.9>Y<,0.1>O<,2.95>(简称BCY10)具有较高的质子电导率,而且在外短路条件下,氢气可以选择性地从湿润的高氢分压端渗透到低氢分压端,从而实现氢分离.该论文试图阐述钙钛矿体系BCY10中质子传输机理,高氢分压端中水蒸气分压对氢渗透率的影响以及B位掺杂可变价金属元素对质子传输的影响.第一章主要介绍了工业中涉氢的化工过程,氢分离与加入的意义,无机透氢膜及其应用,以及钙钛矿结构氧化物氢渗透和氧渗透理论.第二章为实验部分,通过固相反应法成功地制备了钙钛矿型氧化物BCY10&BCYF(BaCe<,0.8>Y<,0.1>Fe<,0.1>O<,3-δ>).实验证实:外短路条件下,氢气和氧气均可以选择性地透过BCY10致密膜.BCY10&BCYF在氢渗透条件下没有相变及分解发生,只是在湿润高氢分压气氛侧的样品表面比无水蒸气且氢分压较低的吹扫侧表面疏松,并且孔较多,可能是样品表面与水蒸气&氢气相互作用的结果.对于BCY10体系,在高浓度的氢分压与氧分压基本一致时,J<,H2>>>J<,O2>,Ea(H<,2>));随着T<,H2O>的增加,J<,H2>增大,Ea (H<,2>)逐渐降低;BCY10体系的氢渗透&氧渗透的厚度关系实验表明,在该论文讨论的厚度(0.82mm)时,体扩散过程是氢渗透&氧渗透的速控步.对于BCYF体系,在相同条件下,其氢渗透率远低于BCY10的氢渗透率. 第三章讨论了钙钛矿体系中质于传输机理,分析表明中温段(600℃— 750℃)时,质子在BCY10体系中传输仍然以Grotthuss机制为主;我们引入固体氧化物碱度的概念,成功地解释了水蒸气在氢渗透过程中的作用:H<,2>O(gas)在BCY10体系表面V<,0><'..>处形成一层OH<,0><'.>,样品表面碱度增加,同时带有一个负电荷的OH<'->成为吸引带有一个正电荷的H<'+>的碱性活性中心,有利于H<,2>在样品表面的离解—溶解过程,使处在湿润氢气气氛端的样品表面的质子浓度增加,加大了质子扩散的化学位梯度以及载流子浓度,从而增大了J<,H2>;随着水蒸气分压P<,H2O>的增加,BCY10体系中质子浓度增加,造成体系中有较多的氧离子结合质子,而质子所带的正电荷容易受到临近氧离子的吸引,导致氧八面体压缩变形,从而缩短了BCY10晶格中O-O的键长,有利于质子在O-O间的跳跃.