Zastosowanie materiałów perowskitowych wykonanych metodą reakcji w fazie stałej do wytwarzania membran separujących tlen z powietrza

Transkrypt

1 Zastosowanie materiałów perowskitowych wykonanych metodą reakcji w fazie stałej do wytwarzania membran separujących tlen z powietrza Magdalena Gromada, Janusz Świder Instytut Energetyki, Oddział Ceramiki CEREL, ul. Techniczna 1, Boguchwała Janusz Trawczyński Politechnika Wrocławska, ul. Wybrzeże Wyspiańskiego 27, Wrocław Michał Stępień, Michał Wierzbicki Instytut Energetyki, Pracownia Ogniw Paliwowych, ul. Augustówka 36, Warszawa

2 O materiałach perowskitowych Struktura perowskitu [1] Cechy charakterystyczne perowskitów: wysoka stabilność termiczna, mobilność tlenu, różnorodność pierwiastków zdolnych do tworzenia struktury ABO Maciej Stodólny, Perovskite-based materials as an anode for Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs).

3 O perowskitowych membranach tlenowych p O 2 > p O 2 Membrana tlenowa POWIETRZE O 2- TLEN e - Schemat działania perowskitowej membrany tlenowej

4 Intensywnosc, a.u. Intensywnosc, a.u. Charakterystyka materiałów perowskitowych: La 0,6 Sr 0,4 Fe 0,8 Co 0,2 O 3+δ (LSCF), Ba 0,5 Sr 0,5 Co 0,8 Fe 0,2 O 3+δ (BSCF) i La 2 Ni 0,9 Co 0,1 O 4-δ (LNC) Oczekiwany i rzeczywisty skład chemiczny badanych proszków Proszek Skład oczekiwany Skład rzeczywisty LSCF La 0,6 Sr 0,4 Co 0,2 Fe 0,8 O 3 La 0,59 Sr 0,40 Co 0,19 Fe 0,80 O 3 BSCF Ba 0,5 Sr 0,5 Co 0,8 Fe 0,2 O 3 Ba 0,51 Sr 0,50 Co 0,80 Fe 0,19 O 3 LNC La 2 Ni 0,9 Co 0,1 O 4 La 2 Ni 0,88 Co 0,11 O 4 LSCF proszek LaCo 0,4 Fe 0,6 O 3 PDF: Ba 0.5 Sr 0.5 Co 0.8 Fe 0.2 O 3-x PDF: BSCF proszek BSCF proszek: a=3,9779(6) A =90 o V=62,94 A 3 d XRD = 58 nm , stopnie , stopnie Widma XRD proszków LSCF, BSCF oraz widma referencyjne

5 Intensywnosc, a.u. Charakterystyka materiałów perowskitowych: La 0,6 Sr 0,4 Fe 0,8 Co 0,2 O 3+δ (LSCF), Ba 0,5 Sr 0,5 Co 0,8 Fe 0,2 O 3+δ (BSCF) i La 2 Ni 0,9 Co 0,1 O 4-δ (LNC) LNC proszek La 2 NiO 4 PDF: LNC proszek: a=b=3,8622(9) A c=12,625(4) A =90 o V=188,32 A 3 d XRD = 85 nm , stopnie Widmo XRD proszku LNC oraz widmo referencyjne Powierzchnia właściwa i inne cechy tekstury proszków perowskitowych Proszek S BET, m 2 /g Objętość porów, cm 3 /g Średni promień porów, nm LSCF 2,4 0,001 1,4 BSCF 1,1 0,001 1,8 LNC 1,5 0,002 1,6

6 Intensywnosc, a.u. Charakterystyka granulatów z proszków perowskitowych Powierzchnia właściwa i inne cechy tekstury granulatów perowskitowych Granulat S BET, Objętość porów, Średni promień m 2 /g cm 3 /g porów, nm LSCF 2,5 0,002 1,7 BSCF 1,5 0,001 1,6 LNC 2,8 0,004 2,1 LNC granulat La 2 NiO 4 PDF: LNC granulat: a=b=3,8685(2) A c=12,645(2) A =90 o V=189,24 A 3 d XRD = 75 nm , stopnie Widmo XRD granulatu LNC oraz widmo referencyjne

7 Charakterystyka spieków z materiałów perowskitowych Spiek Nasiąkliwość wodą, % Pastylki z perowskitu LNC o wymiarach Ø9,7x1,3 mm po wypaleniu Gęstość pozorna, nasiąkliwość wodą i porowatość pozorna pastylek oraz gęstość teoretyczna Gęstość pozorna, g/cm 3 Porowatość pozorna, % Gęstość teoretyczna, g/cm 3 [2-4] Wskaźnik gęstości pozornej do teoretycznej, % LSCF 0,07 6,23 0,43 6,27 99,4 BSCF 0,02 5,13 0,09 5,81 88,3 LNC 0,05 6,90 0,37 7,01 98,4 Oczekiwany i rzeczywisty skład chemiczny badanych pastylek Pastylka Skład oczekiwany Skład rzeczywisty LSCF La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 La 0.60 Sr 0.41 Co 0.19 Fe 0.80 O 3 BSCF Ba 0.5 Sr 0.5 Co 0.8 Fe 0.2 O 3 Ba 0.48 Sr 0.51 Co 0.80 Fe 0.18 O 3 LNC La 2 Ni 0.9 Co 0.1 O 4 La 2 Ni 0.89 Co 0.10 O 4

8 Intensywnosc, a.u. Intensywnosc, a.u. Intensywnosc, a.u. Charakterystyka spieków z materiałów perowskitowych LSCF pastylka Co 0,4 Fe 0,6 LaO 3 PDF: LSCF pastylka: uklad krystalograficzny: rombowy grupa przestrzenna: Ibam (72) a=5,462(2)a b=5,510(2)a c=7,748(6)a =90 o d XRD =24 nm Ba 0.5 Sr 0.5 Co 0.8 Fe 0.2 O 3-x PDF: pastylka BSCF BSCF pastylka: uklad krystalograficzny: regularny grupa przestrzenna: Pm-3m (221) a=3,9919(4) A =90 o V=63,61 A 3 d XRD =55 nm , stopnie , stopnie LNC pastylka La 2 NiO 4 PDF: LNC pastylka: a=b=3,8726(3) A c=12,647(2) A =90 o V=189,67 A 3 d XRD = 71 nm , stopnie Widma XRD pastylek LSCF, BSCF i LNC oraz widma referencyjne

9 Charakterystyka spieków z materiałów perowskitowych LSCF BSCF LNC Obraz SEM (BSE) powierzchni pastylek LSCF, BSCF i LNC

10 Charakterystyka spieków z materiałów perowskitowych Belki z perowskitu LNC po wypaleniu Wytrzymałość na zginanie i współczynnik rozszerzalności cieplnej tworzyw perowskitowych Belka Wytrzymałość na zginanie Rg, MPa Współczynnik rozszerzalności liniowej, 1/K LSCF , BSCF 57 18, LNC ,

11 Wykonanie membran płaskich z perowskitów LSCF, BSCF i LNC Gęsta cienka membrana z perowskitu LNC po wypaleniu i oszlifowaniu Gęsta cienka membrana z perowskitu BSCF z cienką porowatą warstwą Cienka gęsta membrana LNC na porowatym podłożu

12 Przeprowadzenie badań strumienia przenikania tlenu przez membrany Strumień przenikania tlenu w zależności od temperatury Wpływ zmiany strumienia helu na gęstość strumienia tlenu w temperaturze 950 o C dla membrany BSCF

13 Podsumowanie Metoda reakcji w fazie stałej umożliwia otrzymanie proszków perowskitowych o właściwościach odpowiednich do wytwarzania membran separujących tlen z powietrza. Wytypowano mieszany tlenek Ba 0,5 Sr 0,5 Co 0,8 Fe 0,2 O 3+δ jako najlepiej rokujący materiał do wytwarzania membran. Uzyskanie korzystniejszej mikrostruktury membrany Ba 0,5 Sr 0,5 Co 0,8 Fe 0,2 O 3+δ spowoduje zwiększenie przewodnictwa jonów tlenu. Zostanie wykonana synteza materiałów perowskitowych metodą spray pyrolysis. Instalacja do wytwarzania proszków metodą spray pyrolysis

14 Dziękuję za uwagę