混合导体透氧膜材料的合成与性能研究

论文摘要

甲烷部分氧化（POM）制合成气膜反应过程将新型、高效的膜分离技术与催化反应过程耦合在一起,通过无机致密膜的选择性渗透作用向POM膜反应器动态提供反应所需要的纯氧,并实现了对反应过程的有效控制,因而成为天然气转化路线中的关键技术之一。该技术不仅显著降低天然气转化过程的投资和操作成本,还有效提高了POM催化反应过程的稳定性和操作的安全性,被认为是解决当前能源、资源和环境等重大问题的重要新兴技术之一。作为POM膜反应器的核心,混合导体透氧膜及膜材料不仅直接影响到反应器的性能,还在纯氧制备、氧泵、富氧燃烧以及燃料电池等方面展示出广阔的应用前景,相关的研究也逐渐形成了化工、催化、新材料交叉渗透的新领域。本文以天然气转化和综合利用为背景,在课题组前期工作的基础上,基于混合导体材料的组成、结构、制备和性能之间的关系,借助多种现代材料表征手段和实验室自行组建的高温氧渗透性能、POM反应评价装置,对混合导体透氧膜材料的设计、开发、合成和应用进行了一些新的基础性的探索,研究内容主要涉及以下三个方面:1、新型混合导体透氧膜材料的合成与性能研究新型混合导体透氧膜材料的设计和开发是提高透氧膜氧渗透性能和稳定性的根本途径。本文从混合导体透氧膜材料的组成和结构入手,通过在氧渗透性能优异但稳定性较差的SrCo0.8Fe0.2O3-δ（SCF）中体相掺杂性质稳定且价格低廉的Al2O3,开发出Al2O3掺杂的SrCo0.8Fe0.2O3-δ（SCFA）新型混合导体材料。在系统研究SCFA材料的组成、结构和性能随Al2O3掺杂量（1, 3, 5, 10wt.%）变化规律的基础上,选取对SCFA3（Al2O3掺杂量为3wt.%）片式膜的氧渗透过程及其在POM反应中的稳定性进行了考察。研究发现:（1） Al2O3在SCF中的固溶限（1223K）在3-5wt.%之间,且SCFA中钙钛矿相的组成和结构在固溶限附近发生了显著的变化:掺杂量低于固溶限时,SCFA为单相组成,Al3+离子进入SCF晶胞的间隙位并导致晶胞的轻微膨胀;掺杂量

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 研究背景
• 1.2 无机致密透氧膜材料的组成
• 1.3 混合导体透氧膜及膜材料的结构与性能
• 1.3.1 原子尺度结构对材料性能的影响
• 1.3.1.1 钙钛矿/类钙钛矿型混合导体材料的晶体结构
• 1.3.1.2 混合导体材料的原子尺度结构
• 1.3.1.3 原子尺度结构与材料性能的关系
• 1.3.2 纳米尺度结构
• 1.3.2.1 一次晶粒和晶界
• 1.3.2.2 纳米颗粒
• 1.3.3 混合导体透氧膜的微观结构与性能
• 1.3.4 混合导体透氧膜的宏观结构与性能
• 1.3.4.1 混合导体透氧膜的宏观结构
• 1.4 混合导体透氧膜及膜材料的合成
• 1.4.1 固相法
• 1.4.2 溶胶凝胶法
• 1.4.3 溶液法
• 1.4.4 湿化学法过程中pH条件对材料制备的影响
• 1.4.5 新型材料制备方法
• 1.5 混合导体透氧膜在膜反应器中的应用与开发
• 1.5.1 混合导体材料的开发
• 1.5.1.1 掺杂－金属离子的部分取代
• 1.5.1.2 掺杂－金属离子的体相掺杂
• 1.5.1.3 类钙钛矿型混合导体材料
• 1.6 本文的研究目的和内容
• 参考文献
• 2O₃ 掺杂的新型混合导体材料的合成与透氧性能研究'>第二章 Al₂O₃掺杂的新型混合导体材料的合成与透氧性能研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 样品的制备
• 2.2.2 主要分析测试方法及原理
• 2.2.2.1 结构分析
• 2.2.2.2 氧非化学计量系数的测定
• 2.2.2.3 氧渗透性能的测定
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 晶体结构分析
• 2O₃掺杂对材料氧非化学计量系数的影响'>2.3.2 Al₂O₃掺杂对材料氧非化学计量系数的影响
• 2O₃掺杂对材料相转变过程的影响'>2.3.3 Al₂O₃掺杂对材料相转变过程的影响
• 2O₃掺杂对材料微观结构的影'>2.3.4 Al₂O₃掺杂对材料微观结构的影
• 2O₃掺杂对材料透氧性能的影响'>2.3.5 Al₂O₃掺杂对材料透氧性能的影响
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 2O₃掺杂的混合导体材料的热膨胀性能和稳定性研究'>第三章 Al₂O₃掺杂的混合导体材料的热膨胀性能和稳定性研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 样品制备
• 3.2.2 主要分析测试方法及原理
• 3.2.2.1 结构分析
• 3.2.2.2 烧结性能和热膨胀性能的测定
• 3.2.2.3 材料氧渗透过程分析
• 3.2.2.4 POM 反应过程中材料稳定性的考察
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 SCF和SCFA的相结构稳定性
• 3.3.2 烧结性能和热膨胀性能分析
• 3.3.3 SCFA3 的氧渗透过程分析
• 3.3.4 SCFA3 在POM 反应中的稳定性考察
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 pH条件对混合导体材料的合成及性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 LSCF 样品制备
• 4.2.2 样品表征和测试方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 前驱体中pH 环境对络合过程的影响
• 4.3.2 pH 条件对材料晶体生长过程的影响
• 4.3.3 pH条件对材料微观结构和形貌的影响
• 4.3.4 pH 条件对材料透氧性能的影响
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 纳米混合导体材料的合成及氧渗透性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 样品制备
• 5.2.2 样品的表征和测试方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 晶体结构分析
• 5.3.2 颗粒微观形貌分析
• 5.3.3 纳米 SCFZ 的氧非化学计量系数分析
• 5.3.4 SCFZ-FAS 透氧膜的致密化过程
• 5.3.5 SCFZ-FAS 的氧渗透性能和稳定性
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 结论与展望
• 个人简历
• 攻读博士学位期间撰写和发表的论文
• 致谢