Ti掺杂对Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ陶瓷透氧膜性能的影响*

张丹丹 张小珍 高慧娥 江瑜华 汪永清 周健儿

(景德镇陶瓷大学材料科学与工程学院 江西 景德镇 333403)

前言

致密陶瓷透氧膜理论上具有100%的氧选择性，在空气分离高氧、富氧燃烧、化工耦合催化膜反应器、固态电化学器件等领域具有广阔的应用前景[1-3]。ABO3型钙钛矿结构离子—电子混合导体(MIEC)同时具有氧离子和电子传导性能，一直以来在致密陶瓷透氧膜和固体燃料电池阴极材料制备方面受到广泛关注[2]。特别是Ba2+部分取代SrCo0.8Fe0.2O3δ中A位Sr2+得到的立方钙钛矿结构Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ(BSCF)材料更是成为研究的热点，通过采用离子半径较大的Ba2+(1.61 Å)取代离子半径更小的Sr2+(1.44 Å)，可提高氧离子扩散自由体积、有效抑制氧空位有序化和提高氧空位浓度，从而显著提升材料氧传输性能[4, 5]。目前，BSCF陶瓷膜是氧渗透性能最佳的膜材料之一，其中对称结构片状膜在950 ℃的氧渗透通量在2 mL·min1·cm2以上，最近发展的非对称结构中空纤维膜渗透通量更是高达9.7 mL·min1·cm2，远高于La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ、Ce0.9Gd0.1O2-δ—La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ等单相或双相陶瓷膜[6-8]。

然而，BSCF在≤850 ℃的中温范围的相结构稳定性相对较差，易发生分解及产生立方相向六方相的转变，从而导致膜的氧渗透通量明显衰减[9, 10]。BSCF在含CO2环境气氛中较差的化学稳定性是另一个值得关注的问题，这是因为BSCF中的碱土金属离子特别是Ba2+易与CO2反应生成碳酸盐并伴随着钙钛矿相的分解[4, 11]。由于致密陶瓷膜在空气分离和催化膜反应器应用中往往都存在一定浓度的CO2，这对BSCF膜的性能及应用产生了重要不利影响。Arnold等人就发现在CO2气氛中工作70 h后，在BSCF膜中形成厚度为40 μm～50 μm的分解层，膜在初始2 h内渗透通量就衰减了22%[12]。……