Neuer Ansatz zur Herstellung ionenleitender CE

Hauptsitz der Chinesischen Akademie der Wissenschaften

Bild: Herstellung einer mehrschichtigen Keramikmembran mit einer ionenleitenden, dichten dünnen Schicht unter Verwendung eines durch Grenzflächenreaktion induzierten Wiederaufbauansatzes.mehr sehen

Bildnachweis: HE Guanghu

Wasserstoff hat aufgrund seines Potenzials als sauberer Energieträger große Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Bisher wird der Großteil des Wasserstoffs aus fossilen Brennstoffen wie Erdgas, Kohle und Öl hergestellt. Dieser aus fossilen Brennstoffen gewonnene Wasserstoff muss für weitere Brennstoffzellenanwendungen von üblichen Verunreinigungen (z. B. CO2, CH4, CO und H2S) gereinigt werden.

Die wasserstoffunterstützte Wasserspaltung aus fossilen Quellen mithilfe einer Keramikmembran mit dichter Sauerstoffionenleitung ist aufgrund der 100-prozentigen Sauerstoffselektivität der Membran zur direkten Gewinnung von reinem Wasserstoff eine vielversprechende H2-Reinigungstechnik. Allerdings leiden bestehende sauerstoffleitende Membranen unter den oben genannten rauen Betriebsbedingungen unter Problemen mit der chemischen Stabilität.

Kürzlich haben Forscher des Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology (QIBEBT) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) einen neuen „Interface-Reaction-Induced Reassembly“-Ansatz zur Herstellung mehrschichtiger Keramikmembranen mit Dünnfilmen auf Ceroxidbasis entwickelt stabile Wasserstoffproduktion.

Die Studie wurde am 3. November in der Angewandte Chemie International Edition veröffentlicht.

„Mehrschichtige Keramikmembranen werden typischerweise mithilfe schichtweiser Abscheidungsverfahren hergestellt. Diese Verfahren erfordern jedoch häufig ein serielles Verfahren, und die Dicke der dichten dünnen Schichten liegt üblicherweise zwischen 10 und 1000 μm. Darüber hinaus werden häufig dünne Schichten abgeschieden „Delaminieren von den Trägerschichten während des Co-Sinterns“, sagte der korrespondierende Autor Prof. JIANG Heqing von QIBEBT.

Inspiriert von der architektonischen Struktur der Wurzelgräser im Boden entwickelten die Forscher einen durch Grenzflächenreaktionen induzierten Wiederzusammenbauansatz zur Herstellung einer dreischichtigen Keramikmembran mit einer sauerstoffleitenden, dichten, dünnen Schicht, die in der Mutterschicht verwurzelt ist und direkt aus einer einzigen Schicht resultiert -Schrittsintern von zweiphasigen Keramikvorläufern.

„Bei diesem neuen Ansatz wurden durch gezielte Anwendung eines geeigneten Ätzmittels Al2O3 die oberflächlichen Fe-haltigen Körner im gepressten Pellet über Grenzflächenreaktionen bei hohen Temperaturen selektiv geätzt, wodurch Reaktionsenthalpie erzeugt wurde“, sagte Associate Professor HE Guanghu von QIBEBT, Erstautor von die Studie. „Es wird erwartet, dass die Hitze die lokale Temperatur erhöht, um den Wiederzusammenbau der oberflächenisolierten Fluoritkörner zu einer dichten dünnen Schicht voranzutreiben, wodurch die Grenzflächenreaktionen unterbrochen werden und ein kontinuierliches Wachstum der dünnen Schicht vermieden wird.“

Mit diesem durch Grenzflächenreaktionen induzierten Wiederzusammenbauansatz stellten die Forscher fest, dass die resultierenden Schichten auf Ceroxidbasis sehr dünn (~1 μm) und sehr dicht waren und stark an den Mutterschichten hafteten, was nicht nur den Ionentransportwiderstand erheblich reduzierte, sondern auch sicherstellte die strukturelle Integrität der mehrschichtigen Membranen für verschiedene Anwendungen.

Mithilfe der entwickelten mehrschichtigen Membran demonstrierten die Forscher die Wasserstoffproduktion durch Wasserspaltung, unterstützt durch Oxidation von simuliertem Koksofengas, das H2, CH4, CO2, CO und H2S enthielt. Sie fanden heraus, dass die Membran mit einer dichten CGO-Dünnschicht eine sehr lange Haltbarkeit (>1000 Stunden) aufwies, was das Versprechen von Hochleistungsmembranreaktoren für die Wasserstoffproduktion unter praktischen Bedingungen unterstreicht.

„Diese Ergebnisse legen nahe, dass diese Technik den Weg für die Entwicklung von Hochleistungs-Mehrschichtkeramiken mit Funktionsschichten für verschiedene Anwendungen ebnet, beispielsweise Festoxid-Brennstoffzellen und Festoxid-Elektrolysezellen. Dies ist auch der Schwerpunkt unserer zukünftigen Arbeit“, sagte er Prof. JIANG Heqing von QIBEBT, der die Studie leitete.

Angewandte Chemie International Edition

10.1002/any.202210485

Mehrschichtige Keramikmembran mit ionenleitender dünner Schicht, die durch eine Grenzflächenreaktion für eine stabile Wasserstoffproduktion induziert wird

3. November 2022

Haftungsausschluss: AAAS und EurekAlert! sind nicht verantwortlich für die Richtigkeit der auf EurekAlert veröffentlichten Pressemitteilungen! durch beitragende Institutionen oder für die Nutzung jeglicher Informationen über das EurekAlert-System.