[发明专利]一种具有高表面催化活性双相透氧膜的制备方法

说明书

本发明属透氧膜材料领域，尤其涉及一种可用于从含氧混合气特别是从空气中选择分离氧气的具有高表面催化活性双相透氧膜的制备方法，包括如下步骤：（1）将双相透氧膜片A置于酸溶液中浸泡，再用去离子水清洗，烘干，得到双面多孔的双相透氧膜片B；（2）将双相透氧膜片B浸入氧化物溶胶中，然后，取出双相透氧膜片B，经干燥、焙烧后，得到氧化物修饰的双面多孔双相透氧膜片C；（3）将双相透氧膜片C浸入催化剂前驱体溶液中，然后取出双面多孔双相透氧膜片C，再经焙烧后，即得目的产物。本发明目的产物稳定性强、透氧量高、催化剂分散度理想的具有高表面催化活性。

技术领域

本发明属透氧膜材料领域，尤其涉及一种可用于从含氧混合气特别是从空气中选择分离氧气的具有高表面催化活性双相透氧膜的制备方法。

背景技术

近年来，人类对能源特别是化石能源的需求与日俱增，而化石能源是不可再生能源，终将会被消耗尽。面对能源需求量的增大，可以开发可再生能源替代不可再生能源，但是都不可完全替化，所以如何高效利用化石能源是当务之急。能源的使用量增加，产生二氧化碳等温室气体的排放，造成全球变暖，冰川融化等问题，导致当前人类社会共同面临的巨大挑战就是能源问题。而能源的综合利用需要消耗大量的纯氧，如富氧燃烧、化工和医疗等，都需要大量纯氧作为助燃气体，因此使用空气分离技术制备纯氧尤为重要。

天然气的主要成分为甲烷，工业上将其转化为液体燃料，主要是通过将甲烷转化为合成气(CO和H₂)，然后再通过F-T合成的方法将其进一步制备成所需的液体燃料和化工产品。合成气中的氢气作为燃料具有效率高和零污染的特性，使得其在能源领域应用具有非常广阔前景。目前工业上利用甲烷生产合成气主要是通过水汽重整法，此反应为强吸热反应，需要消耗十分巨大能量。与其相比较，甲烷部分氧化制备合成气(POM)是一种经济和环保的制备技术。由于该反应是一个微放热反应，所以此反应所需要的条件比较温和，而且不需要加热H₂O而带来的热量消耗，所以说，有效的降低了制备合成气过程中所需要的能源消耗，POM反应的产物中含量非常低，这就不需要考虑如何消除CO₂的问题，同时也减小了生产成本，更加有利于应用。要想完成POM反应，就需要大量的O₂来辅助完成。所以纯氧作为POM反应的氧化剂是一种最好的选择。混合导体透氧膜以其优异的透氧性能在纯氧分离、甲烷部分氧化、富氧燃烧以及固体氧化物在燃料电池领域展现出良好的应用前景。低温蒸馏技术是工业上比较成熟的纯氧制备技术，但是耗能巨大。而透氧膜技术可提高能源利用率，降低能耗，减少浪费和污染可替代低温蒸馏技术。

当前发展的透氧膜材料有两种，一种单相钙钛矿透氧膜，一种萤石-钙钛矿或萤石-尖晶石双相透氧膜。单相钙钛矿透氧膜有一致命的缺点，就是其化学和结构稳定性比较差，不能满足上述条件，这就限制了其在工业方面的应用。双相复合膜由氧离子导体相和电子导体相构成，克服了单相混合导体陶瓷透氧膜的不足。由于双相膜中大部分是性能稳定的氧离子导体，如萤石结构的CeO₂和ZrO₂等，其稳定性有了显著提高，然而这种类型的双相复合膜由于本身固有性质的限制，透氧量很难满足工业化生产的需要。尤其双相透氧膜由于不含有钴等高活性金属粒子，因此双相透氧膜的表面交换能力普遍不足，因此透氧能力趋向于偏弱。双相混合导体陶瓷透氧膜的透氧过程主要是由氧离子在膜体内的扩散过程和膜两侧表面的氧交换过程控制。如若想继续提高透氧膜的透氧性能，就需要通过提高膜表面的氧交换速率来实现。表面氧交换速率主要受膜本身的性质影响较多，如膜表面粗糙程度，多孔膜结构等因素都可以影响透氧膜的表面氧交换系数。因此，当氧渗透速率受表面氧交换控制时，可以通过在表面负载多孔修饰层或者制备多孔的表面结构等途径来提高陶瓷透氧膜的透氧性能。如果能够在既定材料中实现提高双相透氧膜的表面催化能力，将有利于拓宽双相透氧膜的应用范围。简单易行的提高双相透氧膜表面催化能力的方法一直未见报道，这里我们提出一种提高双相透氧膜表面催化能力的新型方法。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足之处而提供一种稳定性强、透氧量高、催化剂分散度理想的具有高表面催化活性双相透氧膜的制备方法。