高活性载氧体的化学链燃烧氩气纯化
发布时间：2021-09-27 22:35
一次单晶硅生产工艺后,氩气会受到CO、H2等杂质气体的污染,无法再次使用,且杂质气体浓度通常小于0.01%,传统方法（如物理吸附、化学吸附和催化氧化）难以高效直接进行脱除。基于此背景,本文提出"化学链燃烧净化回收氩气"技术,采用第一性原理计算对高活性载氧体材料进行筛选,选择并制备了CuCoFe三元尖晶石载氧体材料,实现了中温条件下对低浓度杂质气体的精确脱除,处理后的氩气中CO及H2含量低于0.001%,回收氩气纯度>99.9998%,单次循环回收率>90%。
【文章来源】：工程热物理学报. 2020,41(08)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
图１（ａ）所示，我们发现Ｃｕ为Ａ位尖晶石材料??的氧空位形成能最低和氧迁移能垒较低，相关材料??ＴＰＲ测试结果如图１（ｂ）所示，选择第一个还原峰作??为一氧化碳还原温度，对整个ＴＰＲ曲线进行积分获??得峰面积，对应载氧体的氢气消耗量，关联于其还??原深度
ｙｇｅｎ?ｖａｃａｎｃｙ?ｆｏｒｍａｔｉｏｎ?ｅｎｅｒｇｙ／ｅＶ??（ｃ＞?ｂ位掺杂材料氧空位形成能与还原温度预测ｍ??ｓ亦有很好的脱除效率，说明在该温度下，载氧体??释氧效率高，活性最高。在固定床反应器内对载氧??体的循环特性进行测试，５００°Ｃ下进行２０个循环，结??７００００??６００００??５００００??４００００??３００００??０．４?０．８?１．２?１．６??Ｏｘｙｇｅｎ?ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ?ｅｎｅｒｇｙ／ｅＶ??（ｄ）氧迁移能垒和还原深度拟合图??图２?ＣｈＢ２０４尖晶石结构的计算??Ｆｉｇ．?２?Ｔｈｅ?ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ?ｏｆ?ＣＵＢ２Ｏ４?ｓｐｉｎｅｌ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ??对于尖晶石单掺杂结构ＣｕＢｉｉ．５Ｂ２０．５Ｏ４，确定??Ｂｌ，?Ｂ２的元素为Ｃｏ和Ｆｅ，考虑尖晶石Ａ，?Ｂ位双掺??杂结构，Ａ１ｑ．５Ａ２〇．５Ｂ１ｉ．５Ｂ２〇．５〇４，确定Ａ１位兀素为??Ｃｕ，进行计算，Ａ２位元素有Ｇａ，Ｎｉ，?Ｍｎ，Ｍｇ，?Ｃｏ，?Ｚｎ，??Ｆｅ，Ｔｉ，?Ｚｎ，Ｇｅ进行双掺杂计算，计算结果和相关预??测如图３（ｂ）、（ｅ）、（ｆ）所示。根据计算结果可以发现，??当Ａ２位元素位Ｃｏ时，其氧迁移能垒最低，且氧空??位形成能较低，预测材料在２００°Ｃ下即可发生反应，??且还原深度最高。根据上述分析，对尖晶石双掺杂结??构进行计算筛选，最终选择Ｃｕｏ．５ＣｏＱ．５Ｂｈ．５Ｂ２ｎ．５Ｏ４??作为本实验载氧体材料。??２．４载氧体ＴＰＲ及ＸＲＤ表征??对上文中筛选的Ｃｉｉ〇．５Ｃ〇（）．５Ｃ〇１．５Ｆｅａ５０４进行制??备以及ＴＴＲ测试和ＸＲＤ表征，结果如图４所示。??如图４（ａ）所示
２??０．００１??２５?３０?３５?４０?４５?５０?５５?６０??２０／（°）??图?４?Ｃｕ０．５Ｃ〇０．５Ｃ〇１．５Ｆｅ０．５Ｏ４?的（ａ）?ＴＰＲ?图和（ｂ）?ＸＲＤ?图??Ｆｉｇ．?４?Ｔｈｅ?（ａ）?ＴＰＲ?ｐｒｏｆｉｌｅ?ａｎｄ?（ｂ）?ＸＲＤ?ｐｒｏｆｉｌｅ?ｏｆ??Ｃｕｏ．５Ｃｏｏ．５Ｃ０１．５Ｆｅｏ．５Ｏ４??０．００６??０．００５??２．６热力学计算??为了研究不同温度下载氧体反应的热力学性??质，对上述样品反应的吉布斯自由能进行计算，并??果如图５（ｃ）所示，经过２０个循环后，ＣＯ浓度均低??于０．００１％，表明载氧体循环特性良好。??１０?２０?３０?４０?５０??Ｔｉｍｅ／ｓ??（ｂ）?ＣＯ脱除效率随时间变化图??〇?Ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ?ｖａｌｕｅ??Ｃｕ〇?５Ａ２〇?５Ｂ１?ｊ?５Ｂ２〇?５Ｏ４??Ｍｎ、??Ｎ??、??Ｖ??＼??Ｇｅ、、??Ｓｎ＾｝Ｍ§??、??、??＼??、??Ｖ．??．Ｇ滅??０．５?１．０?１．５?２．０?２．５??Ｏｘｙｇｅｎ?ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ?ｅｎｅｒｇｙ／ｅＶ??（ｆ）?Ａ，?Ｂ位掺杂材料氧迁移能垒与还原深度预测图??ｇ?３不同掺杂情况尖晶石载氧体的计算预测??Ｔｈｅ?ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ?ａｎｄ?ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ?ｏｆ?ｓｐｉｎｅｌ?ｏｘｙ??ｃａｒｒｉｅｒｓ?ｗｉｔｈ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｄｏｐｉｎｇ?ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ??｜?〇?Ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ?ｖａｌｕｅ?｜??ＣｕＢ１〇．５Ｂ２１．５０４??０Ｃｏ，．５Ｆｅ〇．５??ＣｕＢ１ｌ５Ｂ２０．５Ｏ４??ｒ?ｆ?Ｇ、??＾Ｏｏ．ｓＦｅｉ．５
本文编号：3410737
【文章来源】：工程热物理学报. 2020,41(08)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
图１（ａ）所示，我们发现Ｃｕ为Ａ位尖晶石材料??的氧空位形成能最低和氧迁移能垒较低，相关材料??ＴＰＲ测试结果如图１（ｂ）所示，选择第一个还原峰作??为一氧化碳还原温度，对整个ＴＰＲ曲线进行积分获??得峰面积，对应载氧体的氢气消耗量，关联于其还??原深度
ｙｇｅｎ?ｖａｃａｎｃｙ?ｆｏｒｍａｔｉｏｎ?ｅｎｅｒｇｙ／ｅＶ??（ｃ＞?ｂ位掺杂材料氧空位形成能与还原温度预测ｍ??ｓ亦有很好的脱除效率，说明在该温度下，载氧体??释氧效率高，活性最高。在固定床反应器内对载氧??体的循环特性进行测试，５００°Ｃ下进行２０个循环，结??７００００??６００００??５００００??４００００??３００００??０．４?０．８?１．２?１．６??Ｏｘｙｇｅｎ?ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ?ｅｎｅｒｇｙ／ｅＶ??（ｄ）氧迁移能垒和还原深度拟合图??图２?ＣｈＢ２０４尖晶石结构的计算??Ｆｉｇ．?２?Ｔｈｅ?ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ?ｏｆ?ＣＵＢ２Ｏ４?ｓｐｉｎｅｌ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ??对于尖晶石单掺杂结构ＣｕＢｉｉ．５Ｂ２０．５Ｏ４，确定??Ｂｌ，?Ｂ２的元素为Ｃｏ和Ｆｅ，考虑尖晶石Ａ，?Ｂ位双掺??杂结构，Ａ１ｑ．５Ａ２〇．５Ｂ１ｉ．５Ｂ２〇．５〇４，确定Ａ１位兀素为??Ｃｕ，进行计算，Ａ２位元素有Ｇａ，Ｎｉ，?Ｍｎ，Ｍｇ，?Ｃｏ，?Ｚｎ，??Ｆｅ，Ｔｉ，?Ｚｎ，Ｇｅ进行双掺杂计算，计算结果和相关预??测如图３（ｂ）、（ｅ）、（ｆ）所示。根据计算结果可以发现，??当Ａ２位元素位Ｃｏ时，其氧迁移能垒最低，且氧空??位形成能较低，预测材料在２００°Ｃ下即可发生反应，??且还原深度最高。根据上述分析，对尖晶石双掺杂结??构进行计算筛选，最终选择Ｃｕｏ．５ＣｏＱ．５Ｂｈ．５Ｂ２ｎ．５Ｏ４??作为本实验载氧体材料。??２．４载氧体ＴＰＲ及ＸＲＤ表征??对上文中筛选的Ｃｉｉ〇．５Ｃ〇（）．５Ｃ〇１．５Ｆｅａ５０４进行制??备以及ＴＴＲ测试和ＸＲＤ表征，结果如图４所示。??如图４（ａ）所示
２??０．００１??２５?３０?３５?４０?４５?５０?５５?６０??２０／（°）??图?４?Ｃｕ０．５Ｃ〇０．５Ｃ〇１．５Ｆｅ０．５Ｏ４?的（ａ）?ＴＰＲ?图和（ｂ）?ＸＲＤ?图??Ｆｉｇ．?４?Ｔｈｅ?（ａ）?ＴＰＲ?ｐｒｏｆｉｌｅ?ａｎｄ?（ｂ）?ＸＲＤ?ｐｒｏｆｉｌｅ?ｏｆ??Ｃｕｏ．５Ｃｏｏ．５Ｃ０１．５Ｆｅｏ．５Ｏ４??０．００６??０．００５??２．６热力学计算??为了研究不同温度下载氧体反应的热力学性??质，对上述样品反应的吉布斯自由能进行计算，并??果如图５（ｃ）所示，经过２０个循环后，ＣＯ浓度均低??于０．００１％，表明载氧体循环特性良好。??１０?２０?３０?４０?５０??Ｔｉｍｅ／ｓ??（ｂ）?ＣＯ脱除效率随时间变化图??〇?Ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ?ｖａｌｕｅ??Ｃｕ〇?５Ａ２〇?５Ｂ１?ｊ?５Ｂ２〇?５Ｏ４??Ｍｎ、??Ｎ??、??Ｖ??＼??Ｇｅ、、??Ｓｎ＾｝Ｍ§??、??、??＼??、??Ｖ．??．Ｇ滅??０．５?１．０?１．５?２．０?２．５??Ｏｘｙｇｅｎ?ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ?ｅｎｅｒｇｙ／ｅＶ??（ｆ）?Ａ，?Ｂ位掺杂材料氧迁移能垒与还原深度预测图??ｇ?３不同掺杂情况尖晶石载氧体的计算预测??Ｔｈｅ?ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ?ａｎｄ?ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ?ｏｆ?ｓｐｉｎｅｌ?ｏｘｙ??ｃａｒｒｉｅｒｓ?ｗｉｔｈ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｄｏｐｉｎｇ?ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ??｜?〇?Ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ?ｖａｌｕｅ?｜??ＣｕＢ１〇．５Ｂ２１．５０４??０Ｃｏ，．５Ｆｅ〇．５??ＣｕＢ１ｌ５Ｂ２０．５Ｏ４??ｒ?ｆ?Ｇ、??＾Ｏｏ．ｓＦｅｉ．５
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