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甲烷部分氧化重整(POM)技术已经被认为是制备氢气最经济合理的办法之一，用冶金和焦化工业的副产品焦炉煤气(COG)制备氢气可进一步降低制氢成本和实现资源的高效利用。但是在焦炉煤气POM实验中发现，用于POM实验的透氧膜材料在焦炉煤气气氛下存在着力学性能和高温化学稳定性不足的问题。为了解决焦炉煤气POM用透氧膜材料存在的上述问题，本文用YSZ对BaCo0.7Fe0.2Nb0.1O3.6(BCFN)材料进行掺杂并对材料的制备过程、力学性能、高温化学稳定性、电学性能和透氧性能进行了系统的研究。Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ(BSCF)材料也被制备来用作高温化学稳定性对比实验。
首先利用高温固相反应制备了BCFN和YSZ粉体，然后用YSZ对BCFN进行掺杂后成型烧结制备了YSZ掺杂的BCFN透氧膜并对其烧结过程进行研究，同时对烧结后膜片的收缩率、密度、气孔率和晶体结构等进行了测量。材料制备过程研究结果表明BCFN材料合适的烧结区间为1100℃-1150℃，材料结构为立方钙钛矿，其在1150℃时δ=0.424。YSZ掺杂的BCFN材料具有双相复合结构，基体相为固溶锆离子的BCFN，第二相为BaZrO3。通过热铸成型、脱蜡和烧结三步工艺流程成功制备了BCFN透氧膜管并对其结构进行了分析。
SEM的测量结果表明，在相同的烧结制度下随着YSZ加入量的增加材料的晶粒变得细小；加入量小于5mass％时随着YSZ加入量增加材料烧结更加致密，掺杂量超过5mass％时材料烧结温度明显提高。力学性能测试结果表明，YSZ掺杂后的BCFN样品维氏硬度有明显提高，掺杂量为2.5mass％的样品维氏硬度提高近10％，掺杂量为5mass％的样品提高近30％。掺杂样品的断裂韧性在0.5MPa·m1/2左右，比单一的BCFN材料提高了75％左右。
材料在不同气氛下的TG实验结果和经过不同温度处理过的XRD结果表明，BCFN在Ar气条件下升温过程中分别在450℃失去吸附氧和630℃失去晶格氧，比BSCF氧脱附温度滞后；BCFN在CO2和H2条件下比BSCF具有更好的高温化学稳定性，更适合作为焦炉煤气部分氧化重整用透氧膜材料。在相同的高温TG实验中，随着YSZ掺杂量的增加，材料在惰性气氛下的失重量依次减小，表现出更好的高温化学稳定性；YSZ掺杂量较高的样品在氢气和CO2气氛下也表现出更好的高温化学稳定性。采用四电极法对样品总电导率随温度的变化过程进行了研究。研究结果表明，随着YSZ掺杂量增加材料在空气气氛下的总电导率依次下降，但样品总电导率随温度的变化规律基本一致：在570℃之前低温范围为P型半导体电子空穴导电性质，在高温则是电子空穴导电与氧离子导电共同作用的结果。
由不同COG流量下的透氧性能实验结果可知，单一的BCFN、YSZ掺杂量2.5mass％和5mass％的BCFN样品由于具有较好的烧结性能而透氧性能优于掺杂量为7.5mass％和10mass％的样品；单一的BCFN样品随着膜反应器两侧气体流量变大时透氧量稳定上升，最高透氧量达到14.5ml·min-1·cm-2；YSZ掺杂量为2.5mass％和5mass％的BCFN样品透氧量仍可达到10 ml·min-1·cm-2，可以满足实验的要求；但是YSZ掺杂量为7.5mass％和10mass％的样品最大透氧量只有6ml·min-1·cm-2左右，与实验要求还有有一定的差距。说明了YSZ的掺杂量不宜过多。