Nuovo approccio alla fabbricazione di ce conduttori di ioni

Sede dell'Accademia Cinese delle Scienze

immagine: Fabbricazione di una membrana ceramica multistrato con uno strato sottile e denso che conduce ioni utilizzando un approccio di riassemblaggio indotto dalla reazione dell'interfaccia.vedere di più

Credito: HE Guanghu

L’idrogeno ha attirato molta attenzione grazie al suo potenziale come vettore energetico pulito. Ad oggi, la maggior parte dell’idrogeno è prodotta da combustibili fossili, come gas naturale, carbone e petrolio. Tale idrogeno di derivazione fossile deve essere purificato dai contaminanti comuni (ad esempio, CO2, CH4, CO e H2S) per ulteriori applicazioni di celle a combustibile.

La scissione dell'acqua assistita da idrogeno di derivazione fossile utilizzando una densa membrana ceramica a conduzione di ioni di ossigeno è una tecnica promettente di purificazione dell'H2 grazie alla selettività dell'ossigeno al 100% della membrana per ottenere direttamente idrogeno puro. Tuttavia, le membrane conduttrici di ossigeno esistenti soffrono di problemi di stabilità chimica nelle condizioni operative difficili di cui sopra.

Recentemente, i ricercatori del Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology (QIBEBT) dell'Accademia cinese delle scienze (CAS) hanno sviluppato un nuovo approccio di "riassemblaggio indotto dalla reazione di interfaccia" per fabbricare membrane ceramiche multistrato con film sottile a base di ceria per produzione stabile di idrogeno.

Lo studio è stato pubblicato su Angewandte Chemie International Edition il 3 novembre.

"Le membrane ceramiche multistrato sono tipicamente fabbricate utilizzando metodi di deposizione strato per strato. Tuttavia, questi metodi spesso richiedono una procedura seriale e lo spessore degli strati sottili e densi è comunemente compreso tra 10 e 1000 μm. Inoltre, gli strati sottili depositati spesso delaminarsi dagli strati di supporto durante la co-sinterizzazione", ha affermato l'autore corrispondente, il Prof. JIANG Heqing di QIBEBT.

Ispirandosi alla struttura architettonica delle erbe radicate nel suolo, i ricercatori hanno sviluppato un approccio di riassemblaggio indotto dalla reazione dell'interfaccia per fabbricare una membrana ceramica a tre strati con uno strato sottile e denso conduttore di ossigeno radicato nel suo strato genitore, direttamente derivante da un singolo sinterizzazione a due fasi di precursori ceramici bifase.

"In questo nuovo approccio, applicando deliberatamente un adeguato mordenzante Al2O3, i grani superficiali contenenti Fe nel pellet pressato sono stati incisi selettivamente tramite reazioni di interfaccia ad alte temperature, producendo entalpia di reazione", ha affermato il professore associato HE Guanghu di QIBEBT, primo autore dello studio. lo studio. "Si prevede che il calore aumenti la temperatura locale per guidare il riassemblaggio dei grani di tipo fluorite isolati in superficie in uno strato sottile e denso che interrompe le reazioni dell'interfaccia, evitando la crescita continua dello strato sottile."

Con questo approccio di riassemblaggio indotto dalla reazione dell'interfaccia, i ricercatori hanno scoperto che gli strati a base di ceria risultanti erano molto sottili (~ 1 μm), altamente densi e aderivano fortemente agli strati genitori, non solo riducendo significativamente la resistenza al trasporto ionico, ma garantendo anche l'integrità strutturale delle membrane multistrato per varie applicazioni.

Utilizzando la membrana multistrato sviluppata, i ricercatori hanno dimostrato la produzione di idrogeno dalla scissione dell'acqua assistita dall'ossidazione di gas di cokeria simulato contenente H2, CH4, CO2, CO e H2S. Hanno scoperto che la membrana con uno strato sottile denso di CGO mostrava una durata molto lunga (>1000 ore), sottolineando la promessa di reattori a membrana ad alte prestazioni per la produzione di idrogeno in condizioni pratiche.

"Questi risultati suggeriscono che questa tecnica apre la strada allo sviluppo di ceramiche multistrato ad alte prestazioni con strati funzionali per varie applicazioni, ad esempio celle a combustibile a ossido solido e celle di elettrolisi a ossido solido. Questo è anche il fulcro del nostro lavoro futuro", ha affermato Il Prof. JIANG Heqing di QIBEBT, che ha guidato lo studio.

Edizione internazionale di chimica applicata

10.1002/any.202210485

Membrana ceramica multistrato con strato sottile conduttore di ioni indotto dalla reazione di interfaccia per la produzione stabile di idrogeno