Pr2NiO4+δ混合导体透氧膜用于分解水制氢和催化氧化耦合反应

In this proposal, the K2NiF4-type structure oxide Pr2NiO4-based MIEC oxygen permeation membrane will be developed for hydrogen production from water splitting coupling with catalytic oxidation reaction of CH4. In this reactor, water supports oxygen, reaction and separation will be done at the same time for hydrogen production and syngas. Elements for A site and B site are optimized for Pr2NiO4+δ oxygen permeation membrane. The oxygen permeating amount, oxygen surface exchange coefficiency and diffusion coefficiency will be measured to make clear the effects on oxygen permeation, defects and structure stability with different dopants. The oxygen permeation performance and the oxygen transport mechanism will be investigated with different oxygen partial pressure. Pr2NiO4-based MIEC oxygen permeation membrane will be used for hydrogen production and catalytic oxidation of CH4. The mechanism will be clear through characterization and analyzing of doped Pr2NiO4+δ.

申请人拟开发出一种具有K2NiF4结构的Pr2NiO4+δ系混合导体透氧膜，并把它应用到分解水制氢和催化氧化甲烷耦合反应中去。该反应以水为氧源，在透氧膜反应器中实现反应分离一体化制备纯氢和催化氧化制合成气。在项目中拟研究A位、B位元素掺杂对于Pr2NiO4+δ透氧膜透氧量、氧表面交换系数、体扩散系数的影响，分析元素掺杂对于透氧膜结构和缺陷机理的影响；研究在宽氧分压浓度梯度中该透氧膜的氧渗透性能与氧传输机理及结构稳定性；测试该体系透氧膜在分解水制氢和催化氧化甲烷的耦合反应中的制氢性能、甲烷转化率以及透氧量，推测制氢和催化氧化耦合反应的反应机理。

透氧膜可以在氧气分离制备方面有比较广泛的应用，尤其是在化工领域，在部分氧化重整反应中，如果采用性能优异的透氧膜进行，可以完全降低杂质气体对反应的影响，缩减在空气分离纯化过程中的投入。本项目主要研究了元素掺杂改性对材料结构稳定性、透氧性能的影响，并推测透氧膜透氧机理。具体结果如下：研究表明在Pr2NiO4的A位掺杂为La，B位掺杂为Cu和Fe，即(Pr0.9La0.1)2(Ni0.75Cu0.2Fe0.05)O4+δ (PLNCF)，当其制备温度为1300℃时，材料具有良好的结构稳定性、抗热震性能、透氧性能。分析原因是元素掺杂改性导致材料间隙氧含量增加，而过渡族金属Fe元素的引入既可以满足使缺陷氧浓度增加，也可以通过变价保证材料在不同氧浓度梯度中的稳定性。