Новый подход к изготовлению ионопроводящих элементов

Штаб-квартира Китайской академии наук

изображение: Изготовление многослойной керамической мембраны с ионопроводящим плотным тонким слоем с использованием метода повторной сборки, индуцированной интерфейсной реакцией.посмотреть больше

1 кредит

Водород привлек большое внимание благодаря своему потенциалу в качестве экологически чистого энергоносителя. На сегодняшний день большая часть водорода производится из ископаемого топлива, такого как природный газ, уголь и нефть. Такой водород, полученный из ископаемого топлива, должен быть очищен от обычных загрязнителей (например, CO2, CH4, CO и H2S) для дальнейшего применения в топливных элементах.

Расщепление воды с помощью ископаемого водорода с использованием плотной керамической мембраны с ионной проводимостью кислорода является многообещающим методом очистки H2 благодаря 100% селективности мембраны по кислороду для прямого получения чистого водорода. Однако существующие кислородпроводящие мембраны страдают от проблем с химической стабильностью в вышеупомянутых суровых условиях эксплуатации.

Недавно исследователи из Циндаоского института биоэнергетики и биотехнологий (QIBEBT) Китайской академии наук (CAS) разработали новый подход «повторной сборки, индуцированной реакцией интерфейса» для изготовления многослойных керамических мембран с тонкой пленкой на основе церия для стабильное производство водорода.

Исследование было опубликовано в журнале Angewandte Chemie International Edition 3 ноября.

«Многослойные керамические мембраны обычно изготавливаются методами послойного осаждения. Однако эти методы часто требуют последовательной процедуры, а толщина плотных тонких слоев обычно составляет от 10 до 1000 мкм. Кроме того, наносимые тонкие слои часто расслаиваться от опорных слоев во время совместного спекания», — сказал соответствующий автор профессор Цзян Хэцин из QIBEBT.

Вдохновленные архитектурной структурой укорененных трав в почве, исследователи разработали подход к повторной сборке, индуцированной интерфейсной реакцией, для изготовления трехслойной керамической мембраны с плотным тонким слоем, проводящим кислород, укорененным в ее родительском слое, непосредственно возникающим в результате одиночного -ступенчатое спекание двухфазных керамических прекурсоров.

«В этом новом подходе, благодаря сознательному применению подходящего травителя Al2O3, поверхностные Fe-содержащие зерна в прессованной таблетке избирательно травились посредством реакций на границе раздела при высоких температурах, создавая энтальпию реакции», — сказал доцент Х.Э. Гуанху из QIBEBT, первый автор исследования. изучение. «Ожидается, что тепло повысит локальную температуру, необходимую для повторной сборки изолированных на поверхности зерен типа флюорита в плотный тонкий слой, который отсекает межфазные реакции, избегая непрерывного роста тонкого слоя».

Используя этот подход к повторной сборке, индуцированной интерфейсной реакцией, исследователи обнаружили, что полученные слои на основе церия были очень тонкими (~ 1 мкм), очень плотными и прочно прилегали к исходным слоям, что не только значительно снижало сопротивление переносу ионов, но и обеспечивало структурная целостность многослойных мембран для различного применения.

Используя разработанную многослойную мембрану, исследователи продемонстрировали получение водорода в результате расщепления воды путем окисления искусственного коксового газа, содержащего H2, CH4, CO2, CO и H2S. Они обнаружили, что мембрана с плотным тонким слоем CGO демонстрирует очень длительный срок службы (> 1000 часов), что подчеркивает перспективность создания высокопроизводительных мембранных реакторов для производства водорода в практических условиях.

«Эти результаты позволяют предположить, что этот метод открывает путь к разработке высокоэффективной многослойной керамики с функциональными слоями для различных применений, например, твердооксидных топливных элементов и твердооксидных электролизеров. Это также является целью нашей будущей работы», — сказал Профессор Цзян Хэцин из QIBEBT, руководивший исследованием.

Международное издание «Прикладная химия»

10.1002/любой.202210485

Многослойная керамическая мембрана с тонким ионопроводящим слоем, индуцированным межфазной реакцией, для стабильного производства водорода.