近日，中國科學院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室無機膜與催化新材料研究組（504組）楊維慎研究員和朱雪峰研究員帶領的研究團隊在低溫穩(wěn)定混合導體透氧膜研究中取得新進展，研究成果在線發(fā)表在Nano Letters(DOI:10.1021/acs.nanolett.5b03668)雜志上。
混合導體透氧膜在氧氣分離和膜催化氧化中具有獨特優(yōu)勢，吸引了學術界和工業(yè)界的廣泛關注。但是，一般透氧膜操作溫度較高（>800C），導致膜組件成本高以及密封難等問題。因此，將操作溫度降至低溫區(qū)（350-650C）是該領域科學家們一直追求的目標。然而，眾多研究表明，混合導體透氧膜在低溫區(qū)氧滲透通量會隨時間快速衰減。在前期研究中，該研究團隊已闡明相結構穩(wěn)定的膜材料低溫衰減機制，并提出了廣泛有效的解決方法（Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 3232; J. Membr. Sci. 2015, 492, 173.）。但是以上方法并不適用于低溫下發(fā)生相變的膜材料，如：Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3? （BSCF）透氧膜材料(AIChE J. 2015, 61, 3879.)。
針對上述問題，該研究團隊對BSCF透氧膜在操作條件下微結構的變化進行了深入細致研究，發(fā)現透氧膜氧滲透通量衰減的主要原因是透氧膜晶界處發(fā)生相變造成的；為此提出了將納米粒子引入透氧膜材料的晶界處以阻止相變的發(fā)生，從而抑制氧滲透通量的衰減。當在晶界處引入納米粒子后，納米粒子可釘扎晶界，限制金屬離子沿晶界的擴散，起到“路障”的作用，從而抑制異相成核與新相的形成。該研究團隊進一步從熱力學和動力學兩個方面論證了該方法的有效性。利用納米粒子修飾的BSCF透氧膜在550-650 C下，氧滲透通量是其它膜材料通量的10-1000倍；更為重要的是在600 C下運行500h，氧滲透通量未見明顯衰減。這種將納米粒子引入材料晶界處抑制相變的新方法可拓展到其它由晶界誘發(fā)的異相成核相變體系。
大連化物所低溫穩(wěn)定混合導體透氧膜研究取得新進展
該項研究得到了國家自然科學基金和中國科學院前沿科學重大突破項目資助。
