Nova abordagem para a fabricação de íons condutores de ce

Sede da Academia Chinesa de Ciências

imagem: Fabricação de uma membrana cerâmica multicamada com uma camada fina densa condutora de íons usando uma abordagem de remontagem induzida por reação de interface.Veja mais

Crédito: HE Guanghu

O hidrogênio tem atraído muita atenção devido ao seu potencial como portador de energia limpa. Até o momento, a maior parte do hidrogênio é produzida a partir de combustíveis fósseis, como gás natural, carvão e petróleo. Esse hidrogênio derivado de fósseis deve ser purificado de contaminantes comuns (por exemplo, CO2, CH4, CO e H2S) para futuras aplicações em células de combustível.

A divisão de água assistida por hidrogênio derivado de fósseis usando uma membrana cerâmica densa de condução de íons de oxigênio é uma técnica promissora de purificação de H2 devido à seletividade de 100% de oxigênio da membrana para obter hidrogênio puro diretamente. No entanto, as membranas condutoras de oxigênio existentes sofrem de problemas de estabilidade química sob as severas condições operacionais acima.

Recentemente, pesquisadores do Instituto de Bioenergia e Tecnologia de Bioprocessos de Qingdao (QIBEBT) da Academia Chinesa de Ciências (CAS) desenvolveram uma nova abordagem de "remontagem induzida por reação de interface" para fabricar membranas cerâmicas multicamadas com filme fino à base de ceria para produção estável de hidrogênio.

O estudo foi publicado na Angewandte Chemie International Edition em 3 de novembro.

"As membranas cerâmicas multicamadas são normalmente fabricadas usando métodos de deposição camada por camada. No entanto, esses métodos geralmente requerem um procedimento em série, e a espessura das camadas finas e densas é geralmente entre 10 e 1000 μm. Além disso, as camadas finas depositadas geralmente delaminar das camadas de suporte durante a co-sinterização", disse o autor correspondente, Prof. JIANG Heqing, da QIBEBT.

Inspirados na estrutura arquitetônica das gramíneas enraizadas no solo, os pesquisadores desenvolveram uma abordagem de remontagem induzida por reação de interface para fabricar uma membrana cerâmica de três camadas com uma camada fina densa condutora de oxigênio enraizada em sua camada pai, resultante diretamente de uma única Sinterização em etapas de precursores cerâmicos bifásicos.

"Nesta nova abordagem, aplicando deliberadamente um agente corrosivo Al2O3 adequado, os grãos contendo Fe na superfície do pellet prensado foram gravados seletivamente por meio de reações de interface em altas temperaturas, produzindo entalpia de reação", disse o Professor Associado HE Guanghu da QIBEBT, primeiro autor de o estudo. "Espera-se que o calor aumente a temperatura local para conduzir a remontagem dos grãos do tipo fluorita isolados na superfície em uma camada fina e densa que corta as reações de interface, evitando o crescimento contínuo da camada fina."

Com essa abordagem de remontagem induzida por reação de interface, os pesquisadores descobriram que as camadas baseadas em ceria resultantes eram muito finas (~ 1 μm), altamente densas e fortemente aderidas às camadas originais, não apenas reduzindo significativamente a resistência ao transporte iônico, mas também garantindo a integridade estrutural das membranas multicamadas para várias aplicações.

Usando a membrana multicamada desenvolvida, os pesquisadores demonstraram a produção de hidrogênio a partir da separação da água assistida pela oxidação do gás de forno de coque simulado contendo H2, CH4, CO2, CO e H2S. Eles descobriram que a membrana com uma camada fina densa de CGO apresentou durabilidade muito longa (> 1000 horas), ressaltando a promessa de reatores de membrana de alto desempenho para produção de hidrogênio em condições práticas.

"Estes resultados sugerem que esta técnica abre caminho para o desenvolvimento de cerâmica multicamadas de alto desempenho com camadas funcionais para várias aplicações, por exemplo, células de combustível de óxido sólido e células de eletrólise de óxido sólido. Este também é o foco de nosso trabalho futuro", disse Prof. JIANG Heqing de QIBEBT, que conduziu o estudo.

Edição Internacional de Química Aplicada

10.1002/qualquer.202210485

Membrana cerâmica multicamada com camada fina condutora de íons induzida por reação de interface para produção estável de hidrogênio