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高性能与高稳定性致密陶瓷氢分离膜研究

作　者: 朱志文
导　师: 刘卫
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 材料学
关键词: 质子导体非对称膜渗透速率 Wagner方程表观激活能稳定性
分类号: TQ116.2
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

氢气作为一种洁净的能源材料和重要的化工原料,备受人们的重视。特别是近年来严重的环境污染,更是增加了人们对清洁能源的渴望。氢气的主要来源是天然气的水汽重整和煤炭以及生物质的气化。由于反应产物是含氢的混合气体,因此经过氢分离环节才能得到高纯度的氢气。传统的氢分离技术主要有变压吸附、深冷分离和膜分离三种。深冷分离和变压吸附已经实现了工业化应用,膜分离是将来主要发展的氢分离技术,它具有能耗低,可以连续分离,操作简单和成本低廉等优点。氢分离膜又分为很多种类,致密的陶瓷氢分离膜是其中的一种。人们对致密陶瓷氢分离膜做了大量研究,也取得了丰硕的成果：从最初的单相分离膜,到后来的金属陶瓷双相分离膜,氢渗透效率得到了极大的提升；从稳定性较差的铈酸盐到掺杂改性后的较稳定铈酸盐,材料的化学稳定性得到了明显改善。这些发展给致密陶瓷氢分离膜的应用带来了希望,但是还存在许多问题亟待解决。本论文从目前陶瓷氢分离膜存在的氢渗透量低和化学稳定性差两个缺点出发,展开了实验研究,目标是制备高渗透性能和高稳定性的致密陶瓷氢分离膜。第一章是论文综述,首先简要的介绍了质子导体材料以及潜在的应用；随后详细介绍了陶瓷氢分离膜的渗透原理以及渗透理论。对各种材料的致密陶瓷氢分离膜做了全面的阐述,着重介绍SrCeO3, BaCeO3, La2Ce207和La6WO12材料体系。最后论述了目前致密陶瓷氢分离膜存在的问题和未来的发展方向。第二章介绍了Ni-Ba(Zr0.iCe0.7)Y0.2O3-δ(BZCY)金属陶瓷双相非对称结构氢分离膜的制备及其氢渗透性能研究。利用共压成型技术和两步烧结工艺首次成功制备了双相非对称氢分离膜。制备的关键步骤之一是采用了柠檬酸-硝酸盐燃烧法一步合成NiO-BZCY复合粉体。粉体中NiO和BZCY两相彼此独立,没有副反应发生,而且两者均匀混合。此外,蓬松的NiO-BZCY粉体利于运用共压技术制备厚度较小的薄膜。另一个关键步骤是两步烧结,首先在空气中煅烧排除支撑体中的有机造孔剂,随后在5%H2/Ar气氛下烧结致密。30μm的Ni-BZCY非对称膜表现出了优越的氢渗透性能,在20%H2/Ar的氢化学势梯度下,900℃时的氢渗透速率为1.37×10-7mol cm-2s-1.通过制备不同厚度的非对称膜,我们还研究了膜厚度倒数与氢渗透量的关系。第三章研究了Ni-La0.5Ce0.5O2-δ(LDC)非对称膜的制备和氢渗透性质。通过采用无机造孔剂,一步烧结制备了Ni-LDC非对称膜。性能评价表明氢渗透速率随温度和原料气氢分压的升高而不断增大；在20%H2/Ar的氢化学势梯度下,900℃时48μm厚的非对称膜氢渗透速率为6.8×10-8mol cm-2s-1,相比于600μm厚对称膜的1.57×10-8mol cm-2s-1高4倍多。膜两侧是否添加水蒸气对氢分离性能具有较大的影响：两侧水蒸气的添加都会引起氢渗透速率的增加,特别是吹扫气一侧,3%H20湿润吹扫气后氢渗透量提升1.5-2.0倍。C02气氛下的长期氢渗透测试表明Ni-LDC非对称膜具有出色的稳定性。第四章研究了单相混合质子-电子LDC非对称氢分离膜的氢渗透性质。鉴于LDC电解质的燃料电池测试结果预示着LDC具有一定的电子电导,我们制备了Ni-LDC支撑的致密LDC非对称膜并对其氢渗透性质进行了系统表征。氢渗透速率与温度和氢分压梯度的变化关系反映：在20%H2/Ar的氢化学势梯度下,温度从700到900℃,氢渗透速率由3.27×10-9增加到2.67×10-8mol cm-2s-1;原料气中氢气含量自20%增加到80%,900℃时氢渗透速率从2.67x10-8升高到4.51×10-8mol cm-2s-1。膜两侧是否添加水蒸气对氢渗透速率有着较大的影响：原料气侧加入水蒸气,LDC的电子电导降低,氢渗透速率降低；吹扫气侧加入水蒸气,发生水的裂解反应,氢渗透量增加。第五章研究了Ni-Ba(Zr0.7Pr0.1)Y0.2O3-δ(BZPY)氢分离膜的氢渗透性质。在1440℃烧结10h,可得到致密的Ni-BZPY氢分离膜。Ni-BZPY的氢渗透性能随温度和原料气氢分压的升高而增大。原料气为湿润40%H2/N2且吹扫气为干燥氩气时,950℃时氢渗透性能是1.21×10-8molcm-2s-1。原料气中加入水蒸气,有利于氢渗透速率的提高并轻微地降低表观激活能。氢渗透性能与膜厚度的倒数存在线性关系,表明在测试的厚度范围内,氢渗透受体扩散控制。长期的氢渗透测试结果表明Ni-BZPY膜在潮湿的30%CO2气氛下化学性质稳定。第六章给出了外短路BZCY非对称膜的制备与氢渗透性能研究。在多孔Ni-BZCY支撑的致密BZCY膜表面和侧面涂覆Pt浆提供电子通道,就构成了外短路BZCY非对称膜。此结构的氢分离膜在增大致密膜中质子传导相体积的同时又不损失电子电导,使得氢渗透性能进一步提高。在原料气为20%H2/N2(3%H2O)且吹扫器为干燥氩气时,900℃温度下膜的氢渗透速率高达1.71×10-7mol cm-2s-1。实验结果分析得知外短路BZCY非对称膜的氢渗透速率可能仍然是体扩散步骤决定。长期的氢渗透测试显示,3%C02气氛下,氢分离膜可保持稳定的氢渗透输出；但在20%CO2气氛下,45h后氢渗透速率衰减了约8%。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-10
目录  10-13
第一章绪论  13-53
  1.1 研究背景  13-14
  1.2 质子导体材料的应用  14-20
    1.2.1 固体氧化物燃料电池  14-15
    1.2.2 氢分离  15-17
    1.2.3 涉氢膜反应器  17-18
    1.2.4 传感器  18-20
  1.3 质子导体材料概述  20-25
    1.3.1 钙钛矿结构质子导体  20-22
    1.3.2 类钙钛矿质子导体  22-23
    1.3.3 萤石结构质子导体  23
    1.3.4 烧绿石结构质子导体  23-25
    1.3.5 钽铌酸盐质子导体  25
  1.4 致密陶瓷氢分离膜的原理  25-29
  1.5 陶瓷氢分离膜研究现状  29-39
    1.5.1 铈酸锶基陶瓷氢分离膜  29-33
    1.5.2 铈酸钡基陶瓷氢分离膜  33-36
    1.5.3 氧化铈基陶瓷氢分离膜  36-37
    1.5.4 钨酸镧基陶瓷氢分离膜  37-39
    1.5.5 其他材料的陶瓷氢分离膜  39
  1.6 陶瓷氢分离膜的发展前景与展望  39-40
  1.7 本论文的工作思路和主要研究内容  40-41
  参考文献  41-53
第二章 Ni-Ba(Zr_(0.1)Ce_(0.7))Y_(0.2)O_(3-δ)金属陶瓷双相非对称膜的制备与氢渗透性能研究  53-67
  2.1 引言  53-54
  2.2 实验  54-56
    2.2.1 NiO-BZCY复合粉体的制备  54
    2.2.2 致密的Ni-BZCY非对称膜的制备  54-55
    2.2.3 复合粉体和非对称膜的表征  55
    2.2.4 氢渗透测量  55-56
  2.3 结果和讨论  56-63
    2.3.1 复合粉体表征  56-58
    2.3.2 氢分离膜的微观结构  58-60
    2.3.3 氢渗透性能  60-61
    2.3.4 氢渗透速率控制步骤  61-63
  2.4 结论  63-64
  参考文献  64-67
第三章稳定的Ni-La_(0.5)Ce_(0.5)O_(2-δ)非对称膜的制备与氢渗透性能研究  67-81
  3.1 引言  67-68
  3.2 实验部分  68-69
    3.2.1 粉体制备  68
    3.2.2 非对称膜制备  68
    3.2.3 表征与测试  68-69
  3.3 结果和讨论  69-76
    3.3.1 相结构  69
    3.3.2 氢渗透性质  69-73
    3.3.3 制氢和分离氢双重功能  73-75
    3.3.4 非对称膜的微观结构  75-76
  3.4 结论  76-78
  参考文献  78-81
第四章单相混合电子-质子导体非对称氢分离膜的制备和氢渗透性能研究  81-93
  4.1 引言  81-82
  4.2 实验  82-83
    4.2.1 LDC粉体的制备  82
    4.2.2 致密的LDC非对称膜的制备  82
    4.2.3 样品表征  82-83
    4.2.4 氢渗透测试  83
  4.3 结果与讨论  83-90
    4.3.1 相结构  83-84
    4.3.2 稳定性  84-85
    4.3.3 LDC烧结性能及非对称膜微观结构  85-86
    4.3.4 电子电导测试  86-87
    4.3.5 非对称膜的氢渗透性质  87-89
    4.3.6 水蒸气对氢渗透的影响  89-90
  4.4 结论  90-91
  参考文献  91-93
第五章 Ni-Ba(Zr_(0.7)Pr_(0.1)Y_(0.2))O_(3-δ)混合电子-质子导体膜的氢渗透性能研究  93-105
  5.1 引言  93-94
  5.2 实验  94-95
    5.2.1 粉体制备  94
    5.2.2 氢分离膜制备  94
    5.2.3 氢渗透测试和样品表征  94-95
  5.3 结果与讨论  95-101
    5.3.1 相组成和微观结构  95-96
    5.3.2 氢渗透量与温度及氢分压的关系  96-97
    5.3.3 水蒸气对氢渗透的影响  97-98
    5.3.4 膜厚度的影响  98-99
    5.3.5 氢渗透膜的稳定性  99-101
  5.4 结论  101-102
  参考文献  102-105
第六章外短路Ba(Zr_(0.1)Ce_(0.7))Y_(0.2)O_(3-δ)非对称结构氢分离膜的研究  105-116
  6.1 引言  105-106
  6.2 实验  106-107
    6.2.1 样品的制备  106-107
    6.2.2 样品表征  107
  6.3 结果与讨论  107-113
    6.3.1 XRD与SEM表征  107-108
    6.3.2 氢渗透性质  108-111
    6.3.3 稳定性测试  111-113
  6.4 结论  113-114
  参考文献  114-116
致谢  116-117
攻读博士学位期间发表学术论文目录  117-119

高性能与高稳定性致密陶瓷氢分离膜研究

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