论文部分内容阅读
本文通过溶胶凝胶法制备La1-xSrxCo1-yFeyO3-δ粉体,并通过相转化烧结技术制备La1-xSrxCo1-yFeyO3-δ中空纤维膜。选取K2NiF4型氧化物（La0.5Sr0.5）2CoO4+δ （LSC214）作为表面修饰材料,作用于La1-xSrxCo1-yFeyO3-δ中空纤维膜材料外表面以提高膜材料表面氧还原反应动力学,达到降低材料表观活化能的目的,从而提升材料透氧性能。除此之外,还研究了La1-xSrxCo1-yFeyO3-δ中空纤维膜微观结构对体相扩散作用的影响,通过改变微结构来降低材料表观活化能,以达到提高材料透氧性能的目的。（1）选取普遍认可的材料La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.803-δ （LSCF）,采用酸性腐蚀法以增加膜材料外表面粗糙度,随后用LSC214进行膜材料外表面的表面修饰。实验结果表明,LSC214的表面修饰对于LSCF透氧性能有显著提高,并且比酸性修饰作用效果明显。在700℃-1000℃测试温度下,用LSC214进行表面修饰前后透氧量从0.036-1.021ml·min-1·cm-2提高到0.201-1.311 ml·min-1·cm-2 （He速率为150ml·min-1）,提高系数可达到4.93。LSC214材料的修饰作用使得LSCF中空纤维膜表观活化能降低43～57%,提高了膜材料的透氧性能。与此同时,外表面以LSC214修饰之后的LSCF中空纤维膜表现出良好的稳定性,在900℃,氦气吹扫速率100ml·min-1,空气速率200ml·min-1条件下,透氧量稳定在0.8 ml·min-1·cm-2。（2）选取La0.7Sr0.3Fe03-δ（LSF）,通过控制纺丝铸膜液芯液不同（去离子水／EtOH-NMP）制备了两种不同结构的LSF中空纤维膜（LSF-a、LSF-b）,随后用LSC214对两种结构的LSF中空纤维膜的外表面进行修饰。氦气吹扫速率为150 ml·min-1时,测试温度在700℃-1000℃下,未修饰的LSF-a与LSF-b透氧量分别为0.008-0.348ml·min-1·cm-2和0.246-5.233 ml·min-1·cm-2。通过控制微结构,中空纤维膜LSF-b的透氧量达到LSF-a透氧量的16倍。用LSC214进行表面修饰之后,不同结构LSF中空纤维膜表观活化能都大大降低,LSF-a表观活化能从138.55 kJ·mol-1减少到82.67 kJ·mol-1, LSF-b表观活化能从95.88 kJ·mol-1减少到44.54 kJ·mol-1。表面修饰作用使得LSF中空纤维膜透氧性能又进一步提高。修饰之后的LSF-b中空纤维膜透氧量高达7.199ml·min-1·cm-2,约为相同测试条件下（1000℃,氦气吹扫速率300ml·min-1,空气速率200ml·min-1）未修饰LSF-a中空纤维膜透氧量的19倍。（3）选取La1-xSrxCoO3-δ（x=0.2,0.4）材料制备中空纤维膜,并通过LSC214对膜材料外表面进行修饰,研究LSC214对La1-xSrxCoO3-δ中空纤维膜透氧性能的影响。对于材料La1-xSr0.4CoO3-δ（LSC64）,通过调整铸膜液粘度纺制不同微结构的中空纤维膜（LSC-a、LSC-b）,研究体相扩散过程对其透氧性能的影响。氦气吹扫速率为100ml·min-1时,测试温度从750℃升高到950℃过程中,未修饰的LSC-a与LSC-b透氧量分别为0.006-0.419,0.279-1.525 ml·min-1·cm-2。LSC-b结构呈现良好的透氧稳定性,950℃测试温度下,修饰前、后LSC-b透氧量稳定在1.5 ml·min-1·cm-2和2.8 ml·min-1·cm-2。进行表面修饰处理之后,不同结构LSC64中空纤维膜表观活化能都降低,LSC-a表观活化能从224.10 kJ·mol-1减少到69.00 kJ·mol-1, LSC-b表观活化能从90.15 kJ·mol-1减少到30.93kJ·mol-1。表面修饰作用同样使得LSC82中空纤维膜表观活化能从126.45 kJ·mol-1减少到114.13kJ·mol-1。综上所述,LSC214表面修饰对La1-xSrxCoO3-δ体系的透氧性能具有明显的提高作用。（4）使用第一原理计算方法研究了La1-xSrxCoO3（x=0.0,0.125）材料的几何构型、电子结构、表面热力学稳定性,建立了非化学计量比的对称模型。由第一原理计算以及实验数据手册获得了相关物质的能量参数后,采用热力学相图法分析了La1-xSrxCoO3（x=0.0,0.125）材料低指数表面的稳定性,并研究了Sr掺杂对于材料表面热力学稳定性的影响。对于未掺杂的LaCoO3体系,在典型的透氧材料运行条件下（T= 1100 K,pO2= 0.2arm）,在所有考察到的表面中,C002终止的（001）面、LaO终止的（001）面都可以稳定存在；当用Sr元素进行掺杂后,C002终止的（001）表面不再稳定,La0.75Sr0.25O终止的（001）表面最稳定。