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, 36-040 Boguchwała Janusz Trawczyński Politechnika Wrocławska, ul. Wybrzeże Wyspiańskiego 27, 50-370 Wrocław Michał Stępień, Michał Wierzbicki Instytut Energetyki, Pracownia Ogniw Paliwowych, ul. Augustówka 36, 02-981 Warszawa
O materiałach perowskitowych Struktura perowskitu [1] Cechy charakterystyczne perowskitów: wysoka stabilność termiczna, mobilność tlenu, różnorodność pierwiastków zdolnych do tworzenia struktury ABO 3. 1. Maciej Stodólny, Perovskite-based materials as an anode for Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs).
O perowskitowych membranach tlenowych p O 2 > p O 2 Membrana tlenowa POWIETRZE O 2- TLEN e - Schemat działania perowskitowej membrany tlenowej
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: 44-0361 Ba 0.5 Sr 0.5 Co 0.8 Fe 0.2 O 3-x PDF: 055-0563 BSCF proszek BSCF proszek: a=3,9779(6) A =90 o V=62,94 A 3 d XRD = 58 nm 10 20 30 40 50 60 70 80 2, stopnie 10 20 30 40 50 60 70 80 2, stopnie Widma XRD proszków LSCF, BSCF oraz widma referencyjne
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: 27-1180 LNC proszek: a=b=3,8622(9) A c=12,625(4) A =90 o V=188,32 A 3 d XRD = 85 nm 10 20 30 40 50 60 70 80 2, 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
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: 27-1180 LNC granulat: a=b=3,8685(2) A c=12,645(2) A =90 o V=189,24 A 3 d XRD = 75 nm 10 20 30 40 50 60 70 80 2, stopnie Widmo XRD granulatu LNC oraz widmo referencyjne
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
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: 44-0361 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: 055-0563 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 10 20 30 40 50 60 70 80 2, stopnie 10 20 30 40 50 60 70 80 2, stopnie LNC pastylka La 2 NiO 4 PDF: 34-0314 LNC pastylka: a=b=3,8726(3) A c=12,647(2) A =90 o V=189,67 A 3 d XRD = 71 nm 10 20 30 40 50 60 70 80 2, stopnie Widma XRD pastylek LSCF, BSCF i LNC oraz widma referencyjne
Charakterystyka spieków z materiałów perowskitowych LSCF BSCF LNC Obraz SEM (BSE) powierzchni pastylek LSCF, BSCF i LNC
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 185 15,2. 10-6 BSCF 57 18,8. 10-6 LNC 191 13,7. 10-6
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
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
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
Dziękuję za uwagę