专利名称：CO<sub>2</sub>-耐受性混合导电氧化物及其用于氢气分离的用途的制作方法
CO2-耐受性混合导电氧化物及其用于氢气分离的用途本发明涉及CO2-耐受性混合导电氧化物，其特别适于用作氢气分离膜或甚至在高温下用作燃料电池电极。
背景技术：
对于质子以及电子均具有传导性的致密氧化物陶瓷被称为混合质子电子导体(MPEC)0MPEC材料已知于材料技术的许多领域中并且用于例如致密陶瓷材料的制备。这种类型的膜可以例如，在质子导电固体氧化物燃料电池(PC-SOFC)中用作固体电解质、在质子导电固体氧化物燃料电池中用作电极组分(无论何种电解质类型)、用于选择性气体分离(特别是氢气分离)的系统中，或用于石油化学中。如果将分压差施加至该MPEC膜的两侧，同时发生质子和电子在相同方向上的迁移。这种在固体物质中的迁移原理在该膜在各种方法中的实际应用中提供了一些益处。除了在膜反应器中的应用(例如用于通过受控的氢气供给的部分加氢)夕卜，在预燃(pre-combustion)发电设备领域开拓了新的和创新的应用领域,其中实施了 CO2分离的概念。可以直接使用在例如燃料电池或交通工具中的高纯氢气可以通过该技术有效地产生。同时，在这些概念中，可以实施CO2的分离，这被认为是环境技术领域中的最大挑战之一。预燃的概念包括一些方法步骤，特别是化石燃料(甲烷、天然气或煤)部分氧化以形成合成气体(CCHH2)、水-气转换反应(WGS)，通过该方法使得在合成气体中CO比例降至最低而H2比例提高，并且通过MPEC膜进行C02/H2分离。如果该致密陶瓷膜的一侧暴露于包含水蒸汽的气氛中，则通过水的解离吸附，然后进行KrSger-Vinck反应从而产生质子
H2O + r；* +— 20H；(式 I)因此，通过该反应而水合的氧空位的存在对于在氧化物晶格中提供质子具有重要的作用。在这种情况下水在膜上的解离吸附包括以下部分步骤a)水分子分解为羟基(0H_)和质子(H+)，b)羟基(0H_)吸附在具有两个正电荷的氧离子空位(Fu“)上，c)晶格氧化物离子的质子化。由于在该方法过程中没有产生自由电子，主要作为质子导体的膜可以有利地在潮湿条件下进行操作。该特性使这种膜对于例如在PC-SOFC中作为致密电解质的应用具有吸引力。如果该致密陶瓷膜的一侧暴露于富氢气的气氛中，则除了生成质子外，通过氢气的氧化反应还生成自由电子H2 — 2H +2e'(式 2)然后这些质子使晶格氧化物离子质子化从而将所述质子结合至氧化物晶格中。该结构中的质子还被称为间隙空位(^)，即使其位置不处于合适的间隙位置而是位于“客体”氧化物离子的电子云中。
在混合的质子-电子传导材料中,质子和电子均为电荷载体并因此对材料的总传导率均有贡献。在这种情况下总传导率σ 由质子传导率σ Η+的贡献和电子传导率σ e的贡献组成，其中O tot = O H++ 0 e-(式 3)正如离子传导率一样，材料的总传导率可以直接测量。因此电子传导率可以通过从总传导率中减去离子传导率来计算。引入所谓的迁移数t以描述材料的部分传导率。可以测定每个电荷载体的迁移数。质子和电子的迁移数定义为
权利要求
1. ー种混合质子-电子传导材料，其以缺陷萤石结构和以无水状态存在并具有以下组成 (Ln卜x Ax) 6 (W1^By) z012_ 8 其中 Ln =来自La、Pr、Nd、Sm的元素， A =至少一种来自 La、Ce、Pr、Nd、Eu、Gd、Tb、Er、Yb、Ca、Mg、Sr、Ba、Th、In、Pb 的兀素， B =至少ー种来自Mo、Re、U、Cr、Nb的元素， O≤X≤0. 7并且0≤y ≤0. 5，然而，其中x>0或y>0， 1.00≤z≤1. 25并且0≤d≤0. 3。
2.权利要求1的混合质子-电子传导材料,其中0< X < 0. 5。
3.权利要求1或2的混合质子-电子传导材料,其组成为(LrvxAx)6WZ012_S，其中x>0并且 y = O。
4.权利要求3的混合质子-电子传导材料，其组成为(Ln5A)6WZ012_S。
5.权利要求3的混合质子-电子传导材料，其组成为(LrvxAx)J1.1012_s，其中z =1.1。
6.权利要求3的混合质子-电子传导材料，其中Ln= La或Nd。
7.权利要求3的混合质子-电子传导材料，其中A=至少ー种来自La、Ce、Eu、Gd、Tb、Sm、Pr或Yb的元素。
8.前述权利要求3至7中任ー项的混合质子-电子传导材料，其组成为 Nd6W1.!O12^5, Nd5Laff1.!O12^5, Nd5Ceff1.!O12^5, Nd5Prff1.!O12^5, Nd5Smff1.!O12^5, Nd5Euff1.!O12^5,Nd5Gdff1 :012_ 5、Nd5Tbff1 :012_ 5、Nd5Ybff1 :012_ 5、La5Euff1 :012_ 5、La5Ceff1 :012_ 5 或 La5Tbff1 :012_ 5。
9.权利要求1的混合质子-电子传导材料,其组成为Ln6(WhBy)z012_5，其中X= 0并且y>0。
10.权利要求9的混合质子-电子传导材料，其组成为Ln6WBai012_s或Ln6Wa6Ba5012_s，其中z各自等于1.1。
11.权利要求9的混合质子-电子传导材料，其组成为Ln6(W1Jy)UO12I，其中z =1.1。
12.权利要求9的混合质子-电子传导材料，其中Ln= La或Nd。
13.权利要求9的混合质子-电子传导材料，其中B=至少ー种来自Mo、Re、U、Cr、Nb的元素。
14.权利要求9至13的混合质子-电子传导材料，其组成为Nd6W1.ル0. A2-s、Nd6W0 6Mo0 5O12^5 > Nd6WRe0 A2-S、Nd6W0.6Re0 5012_5 > Nd6WUtl. !O12-S、Ndみ 6Uq.5012_ s、Nd6WCrtl. A2-s、Nd6Wtl. 6Cr(l.5012_ s、Nd6WNbtl. A2-s、Nd6Wtl. 6NbQ.5012_s 和La6WMo0 JO12- 8、La6W0 6Mo0> 5012_ 5、La6WRe0 JO12- s、La6W0 6Re0 5012_ 5、La6WU0 JO12- s、La6W0 6U0> 5012_ 5、La6WCr0 JO12- s、La6W0 6Cr。. 5012_ 5、La6WNb0 JO12- s 或 La6Wa 6Nb。. 5012_ 5。
15.权利要求1的混合质子-电子传导材料,其组成为La5A(W1Jy) UO12I，其中Ln =La 并且 Z =1.10
16.权利要求15的混合质子-电子传导材料,组成为La5NdWMo01O12-5、La5NdW0 6Mo0 5012_6 ^ La5NdWRe0 i012_6 ^ La5NdW0 6Re0 5012—5、La5NdWU0. ^12.6. La5NdWa6Ua5O12—ぃ La5NdWCr0. A2—い La5NdW0.6Cr0.5012—ぃ La5NdWNb0. !O12—ぃLa5NdW0 6Nb0_ 5O12- 8、La5CeWMoci P12-ち、La5CeW0 6^00_ 5O12- 8、La5CeWRe0 i〇12— 5、La5CeW0 6^^0.5^12- 8、La5CeWUtllO12-S' La5CeWa 6UQ. 5012_s、La5CeffCr0 JO12-S > La5Ceff0 6Cr0 5012-8 > La5CeffNb0 JO12- s >La5Ceff0 6NbQ. 5012_ s、La5GdWMo0 JO12- s、La5Gdff0 6MoQ. 5012_ s、La5GdffRe0 JO12- s、La5Gdff0 6ReQ. 5012_ s、La5GdffU0 A2- 8、La5Gdff0 6U0.5012_ 5、La5GdffCr0 !O12- 5、La5Gdff0 6Cr0.5012_ 5、La5GdffNb0 A2- 5 和La5Gdff0 6Nb0.5012_ 5。
17.一种气密性的氢气可滲透的膜，其包含权利要求1至16中任ー项的混合质子-电子传导材料且用于从气体混合物中分离氢气。
18.一种用于高温燃料电池的电解质,包含权利要求1至16中任ー项的混合质子-电子传导材料。
全文摘要
本发明的材料基于具有缺陷萤石结构的且组成为Ln6WO12的材料，其中阳离子至少部分地在A位和/或B位以限定的方式被置换。所述材料具有以下组成(Ln1-x Ax)6(W1-yBy)zO12-δ其中Ln＝来自La、Pr、Nd、Sm的元素，A＝至少一种来自La、Ce、Pr、Nd、Eu、Gd、Tb、Er、Yb、Ca、Mg、Sr、Ba、Th、In、Pb的元素，B＝至少一种来自Mo、Re、U、Cr、Nb的元素，0≤x≤0.7并且0≤y≤0.5，然而，其中x>0或y>0，1.00≤z≤1.25并且0≤d≤0.3。所述混合质子-电子传导材料显出改进的混合传导率、良好的化学稳定性以及良好的烧结特性，并且可以特别地用作用于氢气分离膜的材料或用作在较高温度下的电解质。
文档编号B01D71/02GK103052433SQ201180036239
公开日2013年4月17日 申请日期2011年6月28日 优先权日2010年7月19日
发明者W·A·莫伊伦贝格, M·伊万诺娃, H·P·布赫克雷默, D·斯托弗, J·M·S·阿尔法罗, S·埃斯科拉斯蒂科 申请人:于利奇研究中心有限公司, 巴伦西亚多学科技术大学, 西班牙高等科研理事会