中山大学罗惠霞传授在双相混合导体透氧膜素材研究中获得新停顿

双相混合导体透氧膜是一种兼具电子和氧离子导电性的无机陶瓷素材。在膜两侧的氧分压梯度下，膜体高氧分压侧的氧气会自觉渗入到低氧分压侧，实现氧气的别离。在高温下，透氧膜对氧气的渗入行为加强，理论上对氧气的抉择渗入性为100%。因而，透氧膜在富氧燃烧、纯氧造备、固体燃料电池等高温需氧行业有普遍的利用前景。然而，传统高性能的含钴钙钛矿素材在高温下因为钴的价态改变等原因，存在热膨胀系数大的问题，影响素材的构造不变性。另一方面，所含碱土金属元素在膜外表的偏析，以及其在含二氧化碳气氛下随便构成碳酸盐杂量的缺点也限造了其化学不变性。研究发现通过构建双相混合导体透氧膜(素材中萤石相和钙钛矿相别离次要做为氧离子导电相和电子导电相)能够有效进步素材在含二氧化碳气氛下的不变性。双相混合导体透氧膜系统中以不变性更好的萤石相构成持续收集既能够包管氧离子的持续传导，也能够加强构造的不变性。然而目前的双相混合导体透氧膜在性能上普及远低于对应的单相混合导体透氧膜，若何平衡混合导体透氧膜素材的不变性和透氧性能仍然充满挑战。

近期，中山大学罗惠霞传授团队通过铟化学掺杂调控的办法构建了无钴的铁基双相混合导体透氧膜素材60wt.%Ce0.9Pr0.1O2-δ-40wt.%Pr0.6Sr0.4Fe1-xInxO3-δ (Ceramics International，2022, 48, 1) ，素材能够在含二氧化碳气氛中不变工做超越100小时。研究表白，具有不变价态的铟离子的掺杂削减了素材的热膨胀，同时比拟铁有着与氧离子间更小的均匀键能，招致更多的氧空位产生，因而铟掺杂同时进步了素材的不变性与透氧性能。但是铟在母体素材中的固溶渡过低，掺杂随便招致产生氧化铟杂量的析出。

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图1 60wt.%Ce0.9Pr0.1O2-δ-40wt.%Pr0.6Sr0.4Fe1-xGaxO3-δ素材的晶体构造、外表描摹、透氧性能和不变性

在此根底上，本团队操纵同为第三主族元素但离子半径更小的镓停止掺杂调控，从而获得镓基60wt.%Ce0.9Pr0.1O2-δ-40wt.%Pr0.6Sr0.4Fe1-xGaxO3-δ双相混合导体透氧膜新素材系统(图1)。在此研究工做中，镓具有更高的固溶度，因而能够具有更大的掺杂浓度。更佳素材60wt.%Ce0.9Pr0.1O2-δ-40wt.%Pr0.6Sr0.4Fe0.95Ga0.05O3-δ在二氧化碳吹扫下工做100小时后性能下降不超越0.5 %，不变性非常优良。同时，团队在萤石相中运用铜掺杂的战略，不只大大进步了其电子导电性，并且使得两相间电荷的交换愈加畅达，那使得改进后的60wt.%Ce0.85Pr0.1Cu0.05O2-δ-40wt.%Pr0.6Sr0.4Fe0.95Ga0.05O3-δ素材在氦气吹扫下能够到达1.19 mL cm-2 min-1的氧通量，那接近了一些含钴的双相混合导体透氧膜素材，而且在氦气和二氧化碳的轮回吹扫尝试中连结了持久的不变性。本团队还进一步研究了60wt.%Ce0.9Pr0.1O2-δ-40wt.%Pr0.6Sr0.4Fe1-xGaxO3-δ和60wt.%Ce0.85Pr0.1Cu0.05O2-δ-40wt.%Pr0.6Sr0.4Fe0.95Ga0.05O3-δ素材在氢气复原性气氛下的不变性，研究成果表白高镓含量的素材在600 - 800 oC下有优良的抗复原性能，那预示着该镓基双相混合导体透氧膜素材不只在高温需氧行业具有宽广的利用前景，还有看利用于中温固体氧化物燃料电池等范畴。

该相关研究以“Dual-phase Ga-containing Ce0.9Pr0.1O2-δ-Pr0.6Sr0.4Fe1-xGaxO3-δ oxygen transport membranes with high CO2 resistance”为题已承受颁发在膜范畴的出名期刊Journal of Membrane Science上(Journal of Membrane Science, 668(2023), 121260)。罗惠霞传授为独一通信做者，中山大学素材科学与工程学院20级研究生黄彦昊和21级研究生张超为配合第一做者。中山大学素材科学与工程学院为论文第一完成单元。该研究遭到国度天然科学基金、广东省天然面上基金、光电素材与手艺国度重点尝试室(中山大学)人才培育提拔项目等基金的鼎力撑持。

来源：中山大学

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