[发明专利]一种含钽钙钛矿混合导体透氧膜及其制法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种透氧膜材料的制备和应用，具体涉及一种含钽钙钛矿混合导体透氧膜及其制法和应用。

背景技术

混合导体透氧膜是一类同时具有电子和氧离子导电性的致密陶瓷膜。由于在透氧过程中不是以分子氧形式传递而是以离子氧的形式通过氧空穴来传导氧，理论上对氧的透过选择性为100％，而且某些材料的透氧量可以与微孔膜的渗透量相当。自80年代中期日本的Teraoka教授最早对具有钙钛矿型结构的La(A)Co(B)O_3-δ系列透氧膜材料的透氧性能进行了较系统的研究以来，混合导体透氧膜已经越来越受到人们的重视。人们普遍认为，若能开发出具有足够高的稳定性和透氧量的膜材料，就可以满足目前众多领域的需求。

混合导体透氧膜可以用作SOFC(固体氧化物燃料电池)的组件、氧传感器的组件以及用于含氧混合体系中分离纯氧，混合导体透氧膜的另一个重要应用领域是在化学反应过程中，最为有潜力的工业大规模应用就是用于甲烷部分氧化制合成气和氢气。在当今石油资源日渐减少、国际能源急剧动荡的情况下，进一步高效利用天然气资源具有重要的战略意义。随着我国天然气探明储量的不断增加和西部大开发战略的实施，研究开发天然气的高效利用新工艺、新技术对于改善中国能源结构、提高西部天然气利用的效率、促进西部经济的发展具有十分重要的意义。

按相组成来分，混合导体透氧膜可以分为双相混合导体透氧膜和单相混合导体透氧膜。其中双相混合导体透氧膜主要指的是离子和电子在不同的相中进行传导，Y_0.2Zr_0.8O_2-δ(YSZ)、Ce_0.8Sm_0.2O_2-δ(SDC)、以及稳定化得Bi₂O₃、CeO₂等是研究比较多的离子导电相；而电子导电相多采用贵金属如Pt、Pd、Ag以及其他具有电子导电性的氧化物如La_1-xSr_xMnO₃、MnO₂等。而单相混合导体透氧膜是指离子和电子在一相中双向传导。萤石矿型和钙钛矿型结构是比较典型的也是研究比较多的单相混合导体透氧膜材料，其中钙钛矿型混合导体透氧膜材料是研究最为广泛的。早期研究的SrCo_0.8Fe_0.2O_3-δ(SCF)由于透氧量达到3.1ml·min^-1·cm^-2而得到极大的关注，但是SrCo_0.8Fe_0.2O_3-δ(SCF)在还原性气氛下的不够稳定制约了其进一步的应用。为了提高钙钛矿混合导体透氧膜材料的结构稳定，杨惟慎等开发出了一系列BaTi_0.2Co_0.5Fe_0.3O_3-δ(BTCF)、BaCo_0.4Fe_0.4Zr_0.2O_3-δ(BCFZ)和Ba_0.5Sr_0.5Co_0.8Fe_0.2O_3-δ(BSCF)等透氧膜材料，由于Ba部分或全部取代Sr，钙钛矿材料的结构稳定性得到了有效地提升，尤其BaCo_0.4Fe_0.4Zr_0.2O_3-δ(BCFZ)的结构稳定性是有报道以来最好的一种材料，可以连续进行POM反应达2200小时以上。另外程云飞等人报道了BaCo_0.7Fe_0.22Nb_0.08O_3-δ钙钛矿混合导体材料的透氧量达到了25.77ml·min^-1·cm^-2(Air/coke oven gas)，是文献报道以来最高透量，但同时它的结构稳定性还有待进一步提高。

发明内容