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双相复合钙钛矿陶瓷中空纤维透氧膜：制备工艺、性能优化与应用探索

一、引言

1.1研究背景与意义

在全球对能源高效利用和环境保护日益关注的大背景下，高效的氧气分离与传输技术成为能源和环保领域发展的关键，双相复合钙钛矿陶瓷中空纤维透氧膜凭借其独特的性能优势，成为研究热点。在能源领域，随着传统化石能源的逐渐枯竭以及对清洁能源需求的不断增长，高效的制氧技术成为了关键。例如，在天然气重整制合成气的过程中，通过陶瓷中空纤维透氧膜从空气中分离出高纯度氧气，用于天然气的部分氧化反应，能够提高合成气的生产效率，降低能耗。相较于传统的深冷制氧和变压吸附制氧技术，陶瓷中空纤维透氧膜制氧具有能耗低、设备紧凑、操作灵活等优点。同时，在固体氧化物燃料电池（SOFC）中，陶瓷中空纤维透氧膜作为关键部件，能够将空气中的氧气高效传输到电池阴极，促进电化学反应的进行，提高电池的发电效率。

在环保领域，陶瓷中空纤维透氧膜也发挥着重要作用。在废气处理方面，对于一些含有有害气体的工业废气，如含有一氧化碳、碳氢化合物等的废气，利用陶瓷中空纤维透氧膜提供的高纯度氧气进行催化氧化反应，能够将这些有害气体转化为无害的二氧化碳和水，从而实现废气的净化。此外，在污水处理中，通过陶瓷中空纤维透氧膜向污水中提供氧气，可促进好氧微生物的生长和代谢，提高污水处理效率。

双相复合钙钛矿陶瓷结合了两种不同相材料的优势，具备优异的氧离子与电子传导性能，能够有效提升透氧膜的透氧速率和稳定性。而中空纤维结构具有较大的比表面积与较小的传质阻力，在单位体积内可提供更大的膜面积，极大地提高了氧气传输效率，还能有效降低材料使用量，减少成本。研究双相复合钙钛矿高强度陶瓷中空纤维透氧膜，对推动能源与环保领域的技术革新、实现可持续发展具有深远意义，有望为诸多相关行业带来全新的解决方案与发展契机。

1.2国内外研究现状

国内外学者围绕双相复合钙钛矿陶瓷中空纤维透氧膜开展了大量研究。在制备工艺上，相转化-烧结技术得到广泛应用，美国某研究团队通过改进该技术，成功制备出高强度的陶瓷中空纤维膜，并采用特殊集束工艺组装成膜束，提升了膜组件性能和稳定性，使高温下透氧通量显著增加；国内一些高校和科研机构深入研究集束强化机制，通过调整膜材料配方和制备工艺参数，制备出高机械强度和良好透氧性能的陶瓷中空纤维膜束，如中科院某研究所优化钙钛矿陶瓷电解质粉体合成工艺，制备出性能优异的粉体材料，进而制得高强度、高透氧速度的膜束。

在性能研究方面，学者们聚焦于膜的电学性能、氧渗透性能等。如对SDC/SSC双相复合陶瓷透氧膜的研究发现，随SDC体积分数增加，双相复合膜电导率呈降低趋势，SDC体积分数为35％时氧渗透速率最大，在特定条件下氧渗透率达到一定数值。在应用研究领域，将该透氧膜用于甲烷部分氧化制合成气反应，结果表明，添加Ni基催化剂后，甲烷转化率大幅提高，CO选择性和透氧量也达到较好水平，且中空纤维膜反应器初始阶段活化时间短，具有良好的稳定性。

然而，当前研究仍存在一些不足。制备工艺方面，部分工艺复杂、成本高，难以实现大规模工业化生产，且制备过程中膜的微观结构控制难度较大，影响膜性能的一致性；性能研究中，膜在复杂工况下的长期稳定性和可靠性研究不够深入，如在高温、高压、高腐蚀性等极端条件下，膜的性能衰减机制尚不清晰；应用研究领域，膜与实际反应体系的兼容性研究较少，限制了其在工业中的广泛应用。

1.3研究内容与创新点

本研究围绕双相复合钙钛矿高强度陶瓷中空纤维透氧膜展开，在制备工艺上，探索新型制备方法，优化工艺参数，旨在降低制备成本、提高生产效率，实现对膜微观结构的精确控制，提升膜性能的稳定性和一致性；性能分析方面，深入研究膜在不同工况下的电学性能、氧渗透性能、机械强度以及稳定性等，明晰膜在复杂环境中的性能变化规律和衰减机制；应用拓展上，将透氧膜应用于多种实际反应体系，研究其与反应体系的兼容性，考察在不同反应条件下的应用效果，为其工业化应用提供理论依据和技术支持。

本研究的创新点主要体现在：一是开发了一种新型的双相复合钙钛矿陶瓷中空纤维透氧膜制备工艺，该工艺相较于传统方法，具有流程简化、成本降低的优势，同时能够实现对膜微观结构的精准调控，有效提升膜的性能；二是在性能研究中，综合运用多种先进表征技术，从微观层面深入揭示膜在复杂工况下的性能变化机制，为膜材料的优化设计提供了更为坚实的理论基础；三是在应用拓展方面，首次将该透氧膜应用于特定的新兴反应体系，通过深入研究膜与该体系的兼容性和相互作用机制，为解决该领域的关键技术难题提供了全新的思路和解决方案。

二、双相复合钙钛矿陶瓷中空纤维透氧膜的制备工艺

2.1原材料选择与预处理

制备双相复合钙钛矿陶瓷中空纤维透氧膜的原材料主要包括钙钛矿型氧化物粉体、添加剂以及有机溶剂等。