一种质子导体陶瓷膜反应器及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种质子导体陶瓷膜反应器及其制备方法和应用。本发明专利技术的质子导体陶瓷膜反应器的组成结构包括阳极、阴极和质子导体陶瓷膜，阳极的组成包括Pt或Ni，还包括质子导体陶瓷膜材料，阴极的组成包括Ru/C催化剂和质子导体陶瓷膜材料，质子导体陶瓷膜的组成包括质子导体陶瓷膜材料，质子导体陶瓷膜材料的化学式为Ln

【技术实现步骤摘要】
一种质子导体陶瓷膜反应器及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及电化学催化和膜分离
，具体涉及一种质子导体陶瓷膜反应器及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]氨气(NH3)是一种重要的化学原料，也是理想的无碳氢气储存介质，被广泛应用在农业领域和现代工业领域。工业氨气主要是通过哈伯法合成(N2+3H2→
2NH3)，而由于氮气的氮
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氮三键解离困难和动力学缓慢，氨气的合成反应需要在高温高压(400℃～600℃、200atm～400atm)条件下进行，能源消耗大(每年需要消耗约2％的全球总消耗能源)，此外，哈伯法所需的氢气主要是通过甲烷蒸汽重整得到，该过程伴随着大量的二氧化碳等气体，不仅需要进行分离提纯操作，而且还会释放约1％～2％的全球CO2排放量。
[0003]因此，开发一种能够在温和条件下合成氨的新技术来有效缓解日益增长的能源与环境压力具有十分重要的意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种质子导体陶瓷膜反应器及其制备方法和应用。
[0005]本专利技术所采取的技术方案是：
[0006]一种质子导体陶瓷膜反应器，组成结构包括阳极、阴极和质子导体陶瓷膜：所述阳极的组成包括Pt或Ni，还包括质子导体陶瓷膜材料；所述阴极的组成包括Ru/C催化剂和质子导体陶瓷膜材料；所述质子导体陶瓷膜的组成包括质子导体陶瓷膜材料；所述质子导体陶瓷膜材料的化学式为Ln
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δr/>，式中，Ln为镧系元素，5.2≤x≤5.8，0≤δ≤1。
[0007]优选的，所述Ln为La(镧)、Pr(镨)、Nd(钕)、Sm(钐)、Gd(钆)、Er(铒)中的一种。
[0008]优选的，所述x的取值范围为5.3≤x≤5.6。
[0009]优选的，所述质子导体陶瓷膜材料通过以下方法制成：将Ln源和W源混合后进行焙烧，即得质子导体陶瓷膜材料。
[0010]优选的，所述Ln源为Ln的氧化物、Ln的硝酸盐、Ln的硫酸盐、Ln的氯化盐中的至少一种。
[0011]进一步优选的，所述Ln源为Ln的氧化物。
[0012]优选的，所述W源为W的氧化物、W的有机络合物中的至少一种。
[0013]进一步优选的，所述W源为W的氧化物。
[0014]优选的，所述W的有机络合物为乙酸钨、丙酸钨、戊酸钨中的至少一种。
[0015]优选的，所述混合的方式为球磨。
[0016]优选的，所述球磨在球磨机转速为300r/min～1000r/min的条件下进行，球磨的时间为10h～50h。
[0017]进一步优选的，所述球磨在球磨机转速为300r/min～500r/min的条件下进行，球磨的时间为40h～48h。
[0018]优选的，所述球磨得到的粉末的粒径为1μm～50μm。
[0019]优选的，所述焙烧的具体操作为：以1℃/min～5℃/min的升温速率升温至800℃～1200℃，再保温5h～20h。
[0020]进一步优选的，所述焙烧的具体操作为：以1℃/min～3℃/min的升温速率升温至1000℃～1200℃，再保温8h～10h。
[0021]一种如上所述的质子导体陶瓷膜反应器的制备方法包括以下步骤：
[0022]1)将Pt源或Ni源用溶剂分散制成分散液，再与质子导体陶瓷膜材料混合，再进行干燥，再置于还原性气氛中进行还原，得到阳极粉体；将Ru/C催化剂和质子导体陶瓷膜材料混合进行球磨，再进行干燥，再置于还原性气氛中进行还原，得到阴极粉体；将质子导体陶瓷膜材料压制成膜片生胚，再进行烧结，得到质子导体陶瓷膜；
[0023]2)将阳极粉体和阴极粉体分别与乙基纤维素和松油醇混合进行研磨制成阳极浆料和阴极浆料，再将阳极浆料和阴极浆料分别涂覆在质子导体陶瓷膜的两面，再进行干燥和烧结，即得质子导体陶瓷膜反应器。
[0024]优选的，步骤1)所述还原性气氛为H2‑
Ar混合气氛。
[0025]优选的，步骤1)所述还原在450℃～550℃下进行。
[0026]优选的，步骤1)所述阴极粉体中Ru/C催化剂、质子导体陶瓷膜材料的质量比为1～4:1。
[0027]优选的，步骤1)所述压制在压力为8MPa～20MPa的条件下进行。
[0028]进一步优选的，步骤1)所述压制在压力为15MPa～20MPa的条件下进行。
[0029]优选的，步骤1)所述烧结的具体操作为：以0.5℃/min～3℃/min的升温速率升温至1300℃～1600℃，再保温8h～15h。
[0030]进一步优选的，步骤1)所述烧结的具体操作为：以1℃/min～2℃/min的升温速率升温至1300℃～1500℃，再保温10h～12h。
[0031]优选的，步骤2)所述烧结在950℃～1150℃下进行，保温时间为1h～3h。
[0032]一种氨的合成方法包括以下步骤：将N2和H2通入如上所述的质子导体陶瓷膜反应器，并通电进行反应，即得氨。
[0033]优选的，所述反应在300℃～400℃下进行。
[0034]本专利技术的有益效果是：本专利技术的质子导体陶瓷膜反应器可以在中温条件下电化学合成氨，具有优异的氢分离效率和合成氨性能，适合进行大规模推广应用。
[0035]具体来说：
[0036]1)本专利技术的质子导体陶瓷膜反应器可以在中温条件(300℃～400℃)下电化学合成氨，兼顾了合成氨反应的反应动力学和反应热力学因素，相比于常温下电化学合成氨技术，可以极大有利于该反应的动力学，同时，相比于高温(>500℃)下电化学合成氨技术，可以有效防止在高温下生成的氨气分解加快而导致的氨产率下降；
[0037]2)本专利技术的质子导体陶瓷膜反应器中采用的是钨酸基质子导体膜材料，其与含有碱土金属元素的钙钛矿型质子导体膜材料相比，透氢性能和抗二氧化碳化学稳定性更加优异，完全满足在实际工业气氛下的应用要求；
[0038]3)本专利技术的质子导体陶瓷膜反应器可以原位耦合一些重要的涉氢分离过程，可以实现合成氨反应和氢气分离提纯的高效集成，凸显了该质子导体陶瓷膜反应器的高效性。
附图说明
[0039]图1为实施例1中的LWO和对比例1中的BCZYYb7111的XRD图。
[0040]图2为实施例1中的LWO膜的SEM图。
[0041]图3为实施例1～3中的质子导体陶瓷膜反应器和对比例2中的传统固定床合成氨反应器的合成氨性能测试结果图。
[0042]图4为实施例1中的质子导体陶瓷膜反应器在含CO2气氛下的长期稳定性测试结果图。
具体实施方式
[0043]下面结合具体实施例对本专利技术作进一步的解释和说明。
[0044]实施例1：
[0045]一种质子导体陶瓷膜反应器，其制备方法包括以下步骤：
[0046]1)将15.89g的L本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种质子导体陶瓷膜反应器，组成结构包括阳极、阴极和质子导体陶瓷膜，其特征在于：所述阳极的组成包括Pt或Ni，还包括质子导体陶瓷膜材料；所述阴极的组成包括Ru/C催化剂和质子导体陶瓷膜材料；所述质子导体陶瓷膜的组成包括质子导体陶瓷膜材料；所述质子导体陶瓷膜材料的化学式为Ln
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，式中，Ln为镧系元素，5.2≤x≤5.8，0≤δ≤1。2.根据权利要求1所述的质子导体陶瓷膜反应器，其特征在于：所述Ln为La、Pr、Nd、Sm、Gd、Er中的一种。3.根据权利要求1或2所述的质子导体陶瓷膜反应器，其特征在于：所述x的取值范围为5.3≤x≤5.6。4.根据权利要求1或2所述的质子导体陶瓷膜反应器，其特征在于：所述质子导体陶瓷膜材料通过以下方法制成：将Ln源和W源混合后进行焙烧，即得质子导体陶瓷膜材料。5.根据权利要求4所述的质子导体陶瓷膜反应器，其特征在于：所述焙烧的具体操作为：以1℃/min～5℃/min的升温速率升温至800℃～1200℃，再保温5h～20h。6.一种如权利要求1～5中任意一项所述的质子导体陶瓷膜反应器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将Pt源或Ni源用溶剂分散制成分散液，再与质子导体陶瓷膜材料混合，再进行干燥，再置于...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛健，翁国伟，王海辉，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：