[发明专利]用金属纳米颗粒修饰的高性能透氧膜材料及制备方法

说明书

本发明涉及氧渗透陶瓷膜领域，具体涉及一类用金属纳米颗粒修饰的高性能透氧膜材料及制备方法，其特征在于将金属氧化物陶瓷膜材料中的一种或几种金属离子析出形成一定量的单质和A位缺陷或B位缺陷钙钛矿的高氧通量的复合型陶瓷膜材料；金属氧化陶瓷膜材料的结构式可以归纳为ABO_3‑δ，A₂BO_4+δ或AA’B₂O_5+δ，其中A和A’位阳离子为稀土金属离子或碱土金属离子的一种或几种，B位阳离子为过渡金属离子的一种或几种，0≤δ≤1。本发明的复合型陶瓷膜材料在所测试的温度范围内的氧通量得到极大的提高，同时本发明也可以为富氧燃烧及膜反应器提供一类具有极高氧通量的膜材料，极大的促进其工业化的进程。

技术领域

本发明属于混合导体透氧陶瓷膜技术领域，涉及一类复合型陶瓷膜材料及制备方法，具体涉及一种用金属纳米颗粒修饰的高性能透氧膜材料及制备方法，利用还原气氛析出金属纳米颗粒提高膜材氧通量的方法。

背景技术

氧气已经成为现代工业化生产必不可少的原料气，其广泛的应用于冶金、化工、医学和能源等行业。最近随着大型清洁能源技术的发展，富氧燃烧及天然气制合成气等氧化工艺的需求，氧气的需求量在未来将会继续增加。然而目前为止，能够大规模工业化生产氧气的方法只有低温精馏和变压吸附两种方法。低温精馏是根据空气中各种组分蒸发温度的不同来实现氧气的分离，低温精馏操作一般需要在高温低压下进行，仪器设备复杂，操作费用高昂；变压吸附是通过利用空气中每种组份在固体材料上的吸附性能的差异实现氧气分离的，但是对于变压吸附来说低价高效吸附剂的选择有限，因为限制了其应用。

因此，具有分离效率高、能耗低、易与其它工艺组合连用等特点的金属氧化物陶瓷膜分离技术得到了十分迅猛的发展。在众多的金属氧化物陶瓷膜中，混合导体透氧膜材料由于其在氧气分离上的独特优势，如分离效率高，设备投资低，环境友好等，已成为氧气分离领域的一个研究热点。常用的混合导体透氧膜材料按照晶体结构的不同主要分为钙钛矿型、类钙钛矿型、萤石型、K₂NiF₄型和Ruddlesden-Popper型等。其中钙钛矿型混合导体透氧膜材料由于其一般具有相对较高的氧通量而被广泛的研究。

由于无机膜氧气分离的工业化进程要求金属氧化物陶瓷膜必须在高温下，因此目前为止可供选择的透氧膜材料仍然有限。高温操作，一般要求材料具有良好的热稳定性和较高的抗CO₂中毒性能。然而对于无机膜氧气分离技术工业化的关键是尽可能的提高现有透氧膜材料的氧渗透性能，从而降低无机膜的高温操作。为了早日实现无机膜氧气分离技术的工业化，因此需要通过在现有混合导体透氧膜材料的基础上开发出一种具有超高氧通量的复合型陶瓷膜材料，来满足工业化进程的要求，从而为氧气的生产提供一种成熟的制备方法。

发明内容

本发明的目的是为了改善现有的混合导体陶瓷膜材料的低氧渗透能力和长期连续操作稳定性差等缺点，提供了一种用金属纳米颗粒修饰的高性能透氧膜材料及制备方法。

为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

用金属纳米颗粒修饰的高性能透氧膜材料，其特征在于将金属氧化物陶瓷膜材料中的一种或几种金属离子析出形成一定量的金属单质和A位缺陷或B位缺陷钙钛矿的高氧通量的复合型陶瓷膜材料；其中所述的复合型陶瓷膜材料的结构式为ABO_3-δ、A₂BO_4+δ或AA’B₂O_5+δ，其中A和A’位阳离子为稀土金属离子或碱土金属离子的一种或几种，B位阳离子为过渡金属离子的一种或几种，0≤δ≤1。