有支撑高通量致密镧镍系透氧膜的制备与表征

【摘要】：无机致密透氧膜在高温气体分离和膜催化反应中发挥着重要作用。它可以从含氧混合气体中选择分离出氧,可用于甲烷偶联反应、甲烷的部分氧化反应、固体燃料电池、氧传感器等。其研究与开发对包括化工、能源、冶金等在内的重要基础工业领域具有积极推动作用。近年来被积极开发的新型混合导体氧化物透氧膜材料,如La_2NiO_(4+δ)系列材料,同时具有离子导电性和电子导电性,而且有催化作用,受到广泛关注。 在致密无机透氧膜的应用中,重要问题之一是透氧膜的厚度。离子在材料中传导需要相对较高的活化能,减小透氧膜的厚度是获得高的透氧性能的有效途径。在现有的有关报道中绝大部分都是对本体膜的研究,而如何实现既有高的透氧通量又能够具备良好的机械强度是一个研究难点。因此研究La_2NiO_(4+δ)系列致密支撑透氧膜的制备,并寻求进一步提高La_2NiO_(4+δ)系列透氧膜材料透氧性能的途径,对于促进实现透氧膜的工程应用具有重要意义。 本论文采用配合物溶胶-凝胶制备法,结合X射线衍射分析(XRD)、扫描电镜(SEM)、热重/差热分析(TG-DSC)、碘法、气相色谱法(GC)等实验手段,以及自行设计的混合导体电导率测量装置对La_2NiO_(4+δ)透氧材料的支撑透氧膜制备方法、La_2NiO_(4+δ)透氧材料B-位Ni被Fe离子部分取代后的材料特性、透氧性能等进行了全面系统的研究,同时建立了对La_2NiO_(4+δ)透氧材料电导率进行测定的新方法。 研究得到的一些新的结果并提出有关的新观点如下: 在详细分析各类溶胶-凝胶法特点的基础上,采用配合物溶胶-凝胶法成功地制备了致密支撑透氧膜,探索了制备条件并表征了所制备致密支撑膜的基本性能。 从理论上对La_2NiO_(4+δ)用作透氧膜材料的可行性进行了分析。计算结果表明,La_2NiO_(4+δ)的结构容差因子t=0.89～0.899,其M-O键平均结合能ABE=298.27kJ·mol~(-1),说明该结构是稳定的。由于在结构中存在间隙氧离子,