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粉体百科丨致密陶瓷膜的应用


来源:中国粉体网   平安

[导读]  致密陶瓷膜是在质子-电子混合导体氧化物的基础上发展形成的一种陶瓷膜,在气体分离、新能源器件制造、节能减排等领域有着广阔的应用前景。

中国粉体网讯  无机陶瓷膜按照结构的不同,可以分为致密膜和多孔膜两大类。致密陶瓷膜是在质子-电子混合导体氧化物的基础上发展形成的一种陶瓷膜,在气体分离、新能源器件制造、节能减排等领域有着广阔的应用前景。目前研究较多的是致密陶瓷透氧膜、致密陶瓷透氢膜和固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cells,SOFCs)电解质材料。

致密陶瓷透氧膜

按照传导物质的不同,致密陶瓷透氧膜可分为两大类,即氧离子导体透氧膜和混合导体透氧膜。由于既能传导氧离子又能传导电子,混合导体透氧膜材料在高纯氧气分离、新型催化反应器和轻质烃类气体部分氧化等领域发挥着重要作用,成为近年来致密陶瓷透氧膜的研究热点。

致密陶瓷透氧膜在高温下,当膜两侧存在氧分压梯度时,允许氧从分压高的一侧选择性地渗透到分压低的一侧。利用这一性质,可以用其从空气中分离氧气,低成本地生产工业中广泛使用的纯氧。此外,将陶瓷透氧膜和一些耗氧的化学过程结合,能够直接用作膜反应器,进行工业生产。目前已经有大量的工作研究陶瓷透氧膜用于甲烷部分氧化制合成气、甲烷制乙烯和乙烷,并己经取得了各方面的进展。

陶瓷透氧膜作为膜反应器里最重要最关键的部件,它的性质直接决定了膜反应器的性能。在应用中,要求透氧膜具有高的透氧能力,同时具有优良的机械和化学稳定性。

致密陶瓷透氢膜

致密陶瓷透氢膜主要用于从含氢混合气体中分离氢气、制备高纯氢气和加快涉氢反应的反应速率等,主要包括铈酸锶基、铈酸钡基、氧化铈基、钨酸镧基透氢膜等几大类。


混合导体透氢膜的氢气渗透示意图
 

致密的混合导体透氢陶瓷膜是一类在高温时具有混合的质子和电子传导性的导体材料,此外,在氧气压力梯度中还具有氧离子传导性。除电导性外,这类材料对某些化学反应具有催化作用,故可以将氢气分离与涉氢反应耦合,来达到对化学反应的强化和控制,例如甲烷脱氢反应,水汽重组反应等。

SOFCs电解质
 

SOFC是燃料电池技术发展更新的第三代、以氧化物为电解质的一类燃料电池。它凭借高燃料转化率、高功率密度、环境友好等优点,被誉为一种具有广阔应用前景的技术。

质子导体SOFC结构和原理图
 

SOFC采用致密氧化物陶瓷膜作电解质,电解质材料主要起阻隔燃料气体和氧化剂气体以及传导离子的作用,是整个SOFC的核心部件,电池的输出功率、工作温度等直接受到电解质材料的影响。目前,已有多种致密无机陶瓷膜被研究应用于SOFC固体电解质材料,如萤石结构的ZrO2基材料、CeO2基材料,钙钛矿结构的BaCeO3基、LaGaO3基材料。

参考资料:

吕琦凯.莫来石/氧化铈基无机陶瓷膜的低成本制备研究

汪波.高温致密透氧膜材料和膜过程研究

曹静杰.低成本无机陶瓷膜的制备及机械增强研究

刘慧.抗CO2混合导体透氢膜的制备、表征及其性能研究
 

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