“双碳目标”背景下,纯氧在能源领域的需求与日俱增。混合导体透氧膜作为一种同时具有氧离子和电子混合传导性能的无机致密陶瓷膜,可从空气中高选择性地分离纯氧而备受关注。然而,透氧膜的稳定性与氧渗透通量之间的权衡一直是制约其工业化应用的瓶颈问题。由氧离子传导（IC）的萤石材料和混合离子电子传导（MIEC）的钙钛矿材料组成的IC-MIEC型双相透氧膜,相对于单相钙钛矿型透氧膜,在CO2等恶劣氛围下显示出优越的稳定性,近年来成为研究热点。但双相膜中普遍存在的氧离子传导限制,使其透氧率仍然无法满足工业化要求。因此,开发一种兼具高透氧性和稳定性的新型透氧膜,并系统探究氧分离过程中各因素对透氧性能的影响规律和作用机理,对于促进透氧膜工业化应用具有十分重要的意义。萤石相是IC-MIEC型双相透氧膜中氧离子传导的主要导体,提升其电导性能及电子电导能力,不但能削弱双相膜中氧离子传导限制,而且扩展氧表面交换反应（OSER）发生的三相边界（TPB）至整个膜表面,同时又能降低电子传导在萤石相的阻塞效应。此外,萤石材料中添加适当的助烧剂,在降低其较高烧结温度的同时,伴随着电导行为的改善。基于以上理论依据,本文首先从影响膜性能最为关键的材料结构设计角度出发,开发了兼具高透氧性和稳定性的新型双相透氧膜,并对不同材料改性方法对双相膜性能的影响规律和作用机理进行了实验研究。进而通过氧渗透过程的模拟,揭示了除材料因素外,各操作条件对双相膜透氧性能的影响,并直观地反映了氧传输过程中流动、传热及传质情况,深入解析了流域内氧组分传输机制和关键影响机理。具体开展研究如下:（1）首先将不同含量的Co、Cu和Fe三种助烧元素,以晶界择优偏聚（GBS）及晶格固溶（SS）的方式添加至Ce0.8Sm0.2O2-δ（SDC）萤石相。旨在探究助烧剂添加方式、类型及含量对萤石相电导行为的影响规律和机制,从而寻求萤石相电导行为改善的最佳方式,为开发新型双相透氧膜提供理论支撑。同时,剖析了不同助烧剂及添加方式对SDC萤石材料的助烧效果和机理。结果表明:GBS方式改性对于SDC电导率的增强效果要优于SS方式,且引入了更多的电子电导,添加2 mol%助烧元素Co的SDC具有最高的总电导率及混合传导能力,在700℃和800℃时,总电导率分别达到了 0.04 S·cm-1和0.09 S·cm-1。（2）通过助烧剂改性后的SDC与无Co钙钛矿材料Sm0.5Sr0.5Cu0.2Fe0.8O3-δ（SSCF）结合,深入解析了萤石相电导行为与双相膜性能间的潜在关联和机制。结果表明:双相膜的氧渗透性能与萤石相总电导率及混合传导能力呈正相关。SDC电导行为的改善,使其混合离子电子传导（MIEC1）能力增强,与具有混合传导能力的SSCF（MIEC2）组成两相均为混合传导的双相膜。其中,开发的MIEC1-MIEC2新型双相膜2Co-SDC-SSCF透氧率最高,He吹扫条件下,在950℃达到了 1.21 mL·min-1·cm-2,相较于改性前提升了 17%。CO2氛围下长时间稳定性测试后,其透氧率衰减至0.78 mL·min-1·cm-2。（3）针对在CO2氛围下长时间稳定性测试后出现的性能衰减问题,对钙钛矿相SSCF进行Nb掺杂改性,揭示了 Nb掺杂提升钙钛矿稳定性的内在机理。并以SSCF为研究对象,阐明了陶瓷透氧材料中位错密度和氧空位的相互作用关系。结果表明:Nb掺杂后配置熵和极化阻抗增加,电导率降低,且Nb掺杂前后均遵循双交换机制。（4）针对Nb掺杂改性后,双相膜稳定性提升,但透氧率下降的现象。首先通过钙钛矿相A位及B位的双元素共协调方法,进一步对双相膜进行优化。继而系统地探究了双相膜材料各改性方法对性能的影响规律和原理,以及烧结制度对双相透氧膜机械性能的作用效果,并将其应用于甲烷部分氧化（POM）膜反应器。结果表明:Nb掺杂降低了 He气氛下双相膜的透氧率,但显著提高了结构稳定性和CO2耐受性。经双元素协调优化后,性能得到进一步提升。在CO2氛围长时间测试后,其透氧率稳定在0.82 mL·min-1·cm-2。对于IC-MIEC型双相膜改性研究的结果,证明了设计方法的可行性,丰富了透氧膜设计理念。（5）基于计算流体动力学（CFD）方法,将适用于双相膜的氧渗透公式在FLUENT软件中编译和连接,建立了描述氧渗透过程的流动、传热和传质三维数学模型。全面剖析了除材料因素外,不同操作条件对氧渗透性能的影响规律和机制,深入且直观地揭示了氧分离过程中内部流场、压力场、温度场及组分分布情况,弥补了双相膜氧传输过程模拟研究的欠缺,为其工业化应用提供理论支撑和技术指导。结果表明:渗透侧外围拐角处存在氧浓度累积,因此造成的氧分压梯度的降低不利于透氧性能,这可以通过膜分离装置合理的结构设计进行改善。