[发明专利]一种同源双钙钛矿的双相陶瓷材料及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明属于氢气分离材料应用技术领域，涉及新型功能材料，特别涉及一种同源双钙钛矿的双相陶瓷材料及其制备方法与应用，所述同源双钙钛矿陶瓷材料在获得高的透氢量的同时具备良好的兼容稳定性。

背景技术

双相陶瓷材料指的是一类同时具有质子导电性和电子导电性的新型陶瓷材料。这种材料在高温下(特别是温度高于600℃)，具有混合性的质子-电子导电性，因而对氢气具有100％选择透过性，可在高温下从甲烷或煤转化反应物中将氢气有效的分离出来。这种技术可直接用于煤燃烧装置，在900℃下由合成气(CO+H₂)中分离氢气时，无需外加能量供给，具有可观的潜在经济效益。另外这类陶瓷材料可作为膜反应器应用于多种高温下的涉氢反应，应用十分广泛。

双相陶瓷材料对于氢气分离要在实际中应用，必须满足以下几个条件：

(1)材料必须具有足够高的质子导电率：氢气在膜片表面转变为质子，氢气就是以质子的形式通过材料由含氢气体的区域转移到含氧气氛或惰性气氛区，所以质子导电性高，才可以获得高的透氢量；(2)材料本身必须有充分的传递电子的能力：氢气分离包括从含氢气体中转移氢、氢转变成质子、紧随着又重新组合为氢，这些过程都是电化学过程，要么产生电子，要么消耗电子，为了维持电荷平衡，在氧化态表面产生的电子必须转移到要消耗电子的还原态表面，因此，材料必须具有电子导电性，以有利于电子的转移和传递；(3)对氢的解离具有很高的催化性能；(4)在操作温度下不易挥发；(5)在一定的温度范围内和氢气浓度范围内具有比较好的化学和结构稳定性；(6)具有很好的化学相容性；(7)低的生产成本。

而纯相的陶瓷材料中很难找到同时适合以上条件的材料。一些条件的满足总是伴随着另外一些条件的不满足。目前大多数材料在含氢或水蒸汽气氛中，存在有低的电子迁移数，意味着电子导电率不足以获得最大的透氢量。如：Song等(Defect structure and transport properties of Ni-SrCeO_3-δcermet for hydrogen separation membrane.Journal of The Electrochemical Society.)合成的SrCe_0.8Yb_0.2O_3-δ单相膜在900℃透氢量只有0.59×10^-8mol/(cm²·s)。

因此，为了提高电子传递能力，可以加入具有高电子导电能力的第二相材料形成双相陶瓷材料。这种双相陶瓷材料即质子由质子导电相来传导，电子由电子导电相来传导。如：Zuo等(Effect of Zr-doping on the chemical stability and hydrogen permeation of the Ni-BaCe_0.8Y_0.2O_3-δmixed protonic-electronic conductor.Chem Mater.)合成的Ni-BaCe_0.8Y_0.2双相膜在900℃透氢量可达到6.62×10^-8mol/(cm²·s)。但是这种双相膜体系由于质子导电相和电子导电相分别是金属和陶瓷两种不同的材料，它们的热膨胀系数有很大的差别，所以在高温下会导致材料内部产生较大的张力，从而使材料容易产生裂缺和破碎，无法长期在高温下稳定操作，因此很难满足实际应用条件。

发明内容

为了克服现有技术中的缺点和不足，本发明的首要目的在于提供一种同源双钙钛矿的双相陶瓷材料。本发明的同源双钙钛矿的双相陶瓷材料不仅具有很高的透氢量，而且具备良好的兼容性和匹配度。这是因为本发明的同源双钙钛矿的双相膜材料中质子导电相和电子导电相都是钙钛矿陶瓷材料，这样可以使得两相之间的热膨胀系数相近，从而可避免材料在升降温时产生的裂缺和破碎。因此同源双钙钛矿的双相陶瓷材料可以在获得高的透氢量的同时也具有良好的兼容稳定性，这在实际工业应用中具有很好的应用前景。

本发明的另一目的在于提供上述同源双钙钛矿的双相陶瓷材料的制备方法。

本发明的再一目的在于提供上述同源双钙钛矿的双相陶瓷材料的应用。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种同源双钙钛矿的双相陶瓷材料，由质子导电相和电子导电相制备而成，所述质子导电相和电子导电相都为钙钛矿的陶瓷材料。