Tb掺杂BaCeO3钙钛矿陶瓷中空纤维透氢膜的制备与性能研究

发布时间：2018-02-27 16:17

  本文关键词： 质子导体 钙钛矿 中空纤维膜 表面修饰 氢气渗透 甲烷脱氢偶联　出处：《天津工业大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：BaCe0_3钙钛矿陶瓷透氢膜是一种无机致密膜,其通过质子和电子的跨膜传导实现氢气渗透。然而,由于质子和/或电子传导率过低,导致膜的氢气渗透通量不足,而掺杂是提高膜材料传导性能的一种重要策略。另一方面中空纤维膜具有易于高温密封、有效膜厚度小和单位堆积体积的膜面积大的优点,因而有利于提高膜的氢气渗透通量。本文研究了 Tb掺杂的BaCeO3钙钛矿中空纤维陶瓷膜;在探索了不同的离子掺杂对BaCeO3钙钛矿材料电导率和稳定性的影响后,将电导率最高的材料制备成中空纤维膜并考察了其性能;探究了膜表面修饰提高膜表面交换动力学对提高材料和膜性能的影响,并探讨了所制备的中空纤维膜在甲烷脱氢反应中的应用。本文首先采用溶胶-凝胶燃烧法合成了 BaCe0.95Tb0.00_3-α(BCTb)高温质子导体钙钛矿陶瓷氧化物,通过相转化-烧结技术制备了致密的BCTb钙钛矿中空纤维膜。当测试温度为1000℃、H2-He进料气和N2吹扫气的流速分别为40 mL·min-1和30 mL·min-1时,BCTb中空纤维膜的氢气渗透通量达到0.57 mL.cm-2·min-1。为了探索掺杂的BCTb氧化物的电导率和结构以及化学稳定性,本文合成出一系列BaCeo.85Tb0.05M0.10_3-δ(M=Mn、Fe、Y、Zr、Co)(BCTM)钙钛矿陶瓷氧化物,通过粉末X射线衍射和四电极法等手段研究了 BCTM氧化物在不同气氛下的结构、化学稳定性和电导率等性能。结果表明,合成的BCTM氧化物在氢气和水蒸气气氛中稳定,在CO2气氛中会变成金属氧化物相并与CO2发生反应,生成碳酸盐,Mn或者Co离子的掺杂可以提高材料的电导率。然后,为了提高BCTb钙钛矿氧化物的电导率和氢气渗透通量,本文选定将Co元素掺入BCTb体系,制备出BaCe0.85Tb0.05Co0.1O3-δ(BCTCo)钙钛矿氧化物和中空纤维膜,研究了烧结温度对BCTCo粉体和中空纤维膜晶相结构、微观形貌、孔隙率、机械强度、电导率和氢气/氧气渗透等性能的影响。结果表明,将Co掺杂入BCTb氧化物可以提高材料的电导率。当测试温度为1000℃,在50%H2-He/N2分压梯度下透过BCTCo中空纤维膜的最大氢渗透通量达到0.385 mL.cm-2min-1。随着膜有效厚度的降低,表面交换动力学对膜的氢气渗透的限制作用越来越显著。为了提高膜的表面交换动力学,进而得到高的氢气渗透通量,本文在BCTb和BCTCo中空纤维膜表面采用硫酸刻蚀和/或Pd/Ni负载的方法进行表面修饰。结果表明,在膜表面负载多孔Pd层可以将氢气渗透通量从原始中空纤维膜在900℃条件下的0.046 mL·cm-2·min-1提高到0.272 mL·cm-2·min-1。硫酸刻蚀修饰会降低膜的氢气渗透通量。在膜表面负载Ni或者Pd颗粒后,当测试温度为1000℃时,氢气通量从原始膜的0.164 mL·cm-2·min-1分别提高到Ni和Pd颗粒负载膜的0.27mL·cm-2.min-1和0.42 mL·cm-2·min-1,对应的最大提高因子分别为64%和155%。膜两侧负载催化剂可以最有效地加强氢气渗透性能,同时,渗透性能的加强取决于催化剂的负载量和结构。催化甲烷脱氢偶联(DCM)生产C2产物(乙烷和乙烯)代表了天然气转化为更有用产物最有效的方法之一。在本文中,我们探索了在BCTCo膜内表面涂覆DCM催化剂组成膜反应器,并将所制备的膜反应器用于DCM反应。结果表明,BCTCo中空纤维膜的使用可以有效提高C2产物的选择性。当测试温度为900℃时,BCTCo膜反应器可以将反应的甲烷几乎全部转化为C2产物。
[Abstract]:BaCe0 . 95Tb0 . 05M0 . 10 _ 3 - 未 ( M = Mn , Fe , Y , Zr , Co ) ( BCTM ) perovskite ceramic oxide was synthesized by sol - gel combustion method . The hydrogen permeation flux was increased from 0.046 mL 路 cm - 2 路 min - 1 at 900 鈩，

本文编号：1543398