[发明专利]复相离子－电子混合导体粉体材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种复相离子-电子混合导体粉体材料及其制备方法和应用。

技术背景：

以致密混合导电透氧膜材料构成的膜反应器应用于天然气甲烷部分氧化反应的研究非常活跃。这些工作主要集中在美国各大国家重点实验室以及各大石油与气体公司，包括以Air Products、Ceramatec等公司为首的研究团体，受美国能源部的资助进行用于甲烷转化的混合导电陶瓷透氧膜技术的研究；而由Amoco，BP，Praxair，Statoil，Phillips Petroleum，Sasol等公司组成的研究团体也在开展类似的工作。

对于致密的混合导电透氧膜材料，提高膜的透氧量、解决还原性气氛下膜的稳定性等问题是其实现工业化应用的关键。目前，以提高膜透氧量和稳定性为目的，对混合导电膜材料的研究进行的非常广泛，主要涉及材料体系、组成的筛选、膜材料的制备方法、非化学计量及缺陷结构的研究、宏观性能的表征，包括材料电导率的测定、氧离子的表面交换及体扩散系数、氧渗透性能的研究等。从应用的角度看，目前可供选择的膜材料体系仍然不多，现有的膜材料还存在着热稳定性、化学稳定性不高等问题。

目前所报道的用于甲烷部分氧化的透氧膜材料如BSCF/LSCF/SCF等等，只能由于单一的甲烷部分氧化气氛，在用于焦炉煤气实验中是大部分都存在着稳定性较差的缺点，在实验过程中常常发生破裂而使实验无法进行。这主要是因为焦炉煤气甲烷部分氧化实验中的实验条件更加苛刻，还原气氛更加强烈并且存在较高含量CO₂和CO气体，这些气体都有可能在800℃-900℃高温与透氧膜材料发生反应而使材料发生失效。

发明内容：

本发明的目的之一在于提供一种复相离子-电子混合导体粉体材料。

本发明的目的之二在于提供该复相混合导体粉体材料的制备方法。

本发明的目的之三在于提供该复相离子-电子混合导粉体体材料的应用。

实验发现：BaCo_0.7Fe_0.2Nb_0.1O_3-δ材料在焦炉煤气下具有较稳定的性能。但是为了使其具有更好的高温化学稳定性以抵抗长期高温强还原、高氧势差的环境的破坏，还必须对材料进行进一步的改进。而用ZrO₂、Al₂O₃和SnO₂等对BCFN材料进行掺杂，掺杂后的BCFN材料再经过高温烧结，其中较大的Zr⁴⁺、Sn⁴⁺或Al³⁺会进入到BCFN材料的晶格位置或替换其B位离子而使其结构得到稳定。另外，过多的掺杂还会形成第二相从而提高材料的机械强度，从而实现材料在惰性气氛及还原性气氛下的稳定操作。

根据上述机理，本发明采用如下技术方案：

一种复相离子-电子混合导体粉体材料，其特征在于该导体粉体材料第一相为BaCo_xFe_yNb_zO_3-δ，即BCFN，x、y、z代表摩尔分数，其中0≤x≤0.9，0≤y≤0.6，0≤z≤0.3，而且0.95≤x+y+z≤1.1；第二相为掺杂物ZrO₂、Al₂O₃或SnO₂，其中掺杂物相对于BCFN的质量分数不大于20％。

上述的复相离子-电子混合导体粉体材料的制备方法，其特征在于该方法的具体步骤为：

a.BaCo_xFe_yNb_zO_3-δ粉体的制备：按上述的BCFN的化学计量比来称取各所需原料，原料为金属Ba、Co、Fe、Nb的氧化物、碳酸盐、草酸盐或硝酸盐；把所述的原料用乙醇或水做分散剂球磨混合，混合均匀并干燥后在1000℃-1150℃焙烧10-20小时，再经球磨干燥后即得到BCFN粉体；

b.根据上述的比例，把步骤a所得BCFN粉体和掺杂物ZrO₂、Al₂O₃或SnO₂采用干粉过筛混合；或球磨混合1-2小时；得到复相混合导体粉体材料。