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Preparation and characterization of SrTiO$_{3}$ oxygen transport membranes and asymmetric membranes prepared by phase inversion tape casting



Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Master of Engingeering Yang Liu

ImpressumAachen 2018

Umfang1 Online-Ressource (VI, 132 Seiten) : Illustrationen, Diagramme


Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2018

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2019


Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
;

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-12-19

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-00262
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/752829/files/752829.pdf

Einrichtungen

  1. Lehrstuhl für Werkstoffsynthese der Energietechnik (FZ Jülich) (524510)
  2. Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik (520000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Co doped SrTiO3 (frei) ; Fe doped SrTiO3 (frei) ; asymmetric membranes (frei) ; oxygen transport membranes (frei) ; phase inversion (frei) ; tape casting (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
SrTiO3 (STO) -basierte Perowskit-Oxide werden in großem Umfang für Energieanwendungen wie SOFC-Elektrodenmaterialien, Gassensoren und Sauerstofftransportmembranen untersucht. Leider zeigen diese Materialien keine hohe Degradationsstabilität unter rauen Umgebungsbedingungen. In dieser Studie wurde Cobalt als substituierendes Element für Ti in STO sowie die Kobalt- und Eisen-Co-Dotierung untersucht. Perowskit-strukturierte Pulver aus SrTi1-xCoxO3-δ (STC) sowie SrTi0.75Co0.25-yFeyO3-δ (STCF) wurden über die Pecchini-Methode synthetisiert. Die Substitution von Ti durch Co erhöht sowohl die Elektronen- als auch die Ionenleitfähigkeiten und damit die Sauerstoffpermeationsraten. Gleichzeitig nehmen thermische und chemische Expansionen leicht zu. Ein optimaler Co-Gehalt von 25 bis 35% wurde aufgrund des Kompromisses zwischen Phasenstabilität und Permeabilität gefunden. Die Sauerstoffpermeationsrate von STC35 ist vergleichbar mit derjenigen des Stands der Technik (La, Sr) (Co, Fe)O3-δ, während die Ausdehnungskoeffizienten niedriger sind, was im Hinblick auf das Integrieren der Membranen in Vorrichtungen vorteilhaft ist. Das Co-Dotieren in STCF induzierte keine signifikanten Unterschiede in der Sauerstoffpermeabilität sowohl bei hohen Temperaturen als auch bei Probendicke (1,0 mm). In einem diffusionsbeschränkten Festkörperbereich. Bei niedrigeren Temperaturen (<800 oC), bei denen Oberflächenaustauschbeschränkungen beginnen beizutragen, zeigt STC25 höhere Permeationsraten als STF25, was wahrscheinlich auf die höhere katalytische Aktivität von Co im Vergleich zu Fe zurückzuführen ist. STC-Materialien waren in reduzierter Atmosphäre und CO2 -haltiger Atmosphäre aufgrund der Zersetzung der Perowskitstruktur nicht stabil, während STF-Materialien in reduzierter Atmosphäre und CO2 -Atmosphäre bei 600-900 ° C eine gute Phasenstabilität aufwiesen. Auf der anderen Seite wurden asymmetrische BSCFZ-Proben mit Poren mit geraden Poren und dichten Membranschichten mit einem Phasenumkehr-Bandgießverfahren hergestellt. Der Mechanismus des Begrenzungsprozesses wurde untersucht, indem unterschiedliche Dicken der Membranschichten, unterschiedliche Porosität der Träger bzw. Aktivierungsschichten verwendet wurden. Phaseninversionsbandguss unterstützte asymmetrische Membranen wiesen einen höheren jO2-Wert auf als Volumenproben. Das jO2 zeigte eine nichtlineare Beziehung mit der reziproken Membrandicke (1 / Lmem, Lmem <200 µm), was nicht nur auf die Begrenzung der Volumendiffusion schließen lässt. Bei der Zufuhr von Luft verstärkten die Membran mit der höheren Porosität und die Aktivierungsschicht aufgrund des Einflusses der Konzentrationspolarisation auf der Luftseite nicht das jO2. Beim Zuführen von Luft weisen die phaseninversionsgetragenen Membranen (~ 54 um) einen ähnlichen j O2; -Wert auf, während das Bandgießen unterstützte Membranen (~ 20 um) mit unterschiedlicher Porosität und Mikrostruktur der Träger aufwies. Während Sauerstoff zugeführt wurde, wurde die Konzentrationspolarisation auf der Beschickungsseite beseitigt, und die poröse Aktivierungsschicht von ~ 5 µm und die höhere Porosität unterstützten den jO2-Wert der Phase Inversionsbandguss-geträgerten Probe (~ 55 µm Membrandicke), was eine Mischung aus Volumendiffusion nahe legt Oberflächentausch und Stützbegrenzung der phaseninversionsgestützten Membranen beim Zuführen von Sauers.

SrTiO3 (STO) based perovskite oxides are widely investigated for energy applications, such as SOFC electrode materials, gas sensors, and oxygen transport membranes. Unfortunately, these materials do not exhibit high degradation stability under harsh ambient conditions. In this study, perovskite structured powders of SrTi1-xCoxO3-δ (STC) as well as SrTi0.75Co0.25-yFeyO3-δ (STCF) were synthesized via the Pechini method. Substitution of Ti by Co increases both electronic and ionic conductivities and, hence, oxygen permeation rates. At the same time thermal and chemical expansions increase slightly. An optimum Co-content of 25-35% was found because of the trade-off between phase stability and permeability. The oxygen permeation rate of STC35 is comparable to that of state-of-the-art (La,Sr)(Co,Fe)O3-δ whereas the expansion coefficients are lower, which is advantageous in terms of integrating the membranes into devices. The co-doping in STCF did not induce significant differences in oxygen permeability at both high temperatures and sample thickness (1.0 mm), i.e. in a solid state diffusion limited regime. At lower temperatures (<800 oC), at which surface exchange limitations begin to contribute, STC25 shows higher permeation rates (jO2) than STF25, which is probably due to the higher catalytic activity of Co compared to Fe. STC materials were not stable in reducing atmosphere and CO2 contained atmosphere due to the decomposition of perovskite structure, while STF materials showed good phase stability in reducing atmosphere and CO2 atmosphere at 600-900 oC. On the other hand, BSCFZ asymmetric samples with straight pores support and dense membrane layers were prepared with phase inversion tape casting method. The mechanism of the limiting process was investigated by using different thicknesses of membrane layers, different porosity of supports and activation layers, respectively. Phase inversion tape casting supported asymmetric membranes presented higher jO2 than bulk samples. The jO2 presented a non-linear relation with reciprocal membrane thickness (1/Lmem, Lmem<200 µm), suggesting not only bulk diffusion limiting. When feeding air, the higher porosity supported membrane and the activation layer didn’t enhance jO2 due to the influence of concentration polarization on air side. Moreover, when feeding air, the phase inversion supported membranes (~ 54 µm) present similar jO2 with the freeze casting, tape casting supported membranes (~ 20 µm) with different porosity and microstructure of the supports. While feeding oxygen, the concentration polarization on feed side was eliminated, and the ~5 µm porous activation layer and the higher porosity support enhanced jO2 of phase inversion tape casting supported sample (~55 µm membrane thickness), suggesting a mix of bulk diffusion, surface exchange and support limiting of the phase inversion supported membranes when feeding oxygen.

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Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online

Sprache
English

Externe Identnummern
HBZ: HT019935238

Interne Identnummern
RWTH-2019-00262
Datensatz-ID: 752829

Beteiligte Länder
Germany

 GO


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Document types > Theses > Ph.D. Theses
Faculty of Georesources and Materials Engineering (Fac.5) > Division of Materials Science and Engineering
Publication server / Open Access
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Publications database
524510
520000

 Record created 2019-01-09, last modified 2023-04-08


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