Nouvelle approche pour la fabrication de ce conducteur ionique

Siège de l'Académie chinoise des sciences

image : Fabrication d'une membrane céramique multicouche avec une couche mince dense conductrice d'ions en utilisant une approche de réassemblage induit par la réaction d'interface.Voir plus

Crédit : SE Guanghu

L'hydrogène a attiré beaucoup d'attention en raison de son potentiel en tant que vecteur d'énergie propre. À ce jour, la majorité de l'hydrogène est produite à partir de combustibles fossiles, tels que le gaz naturel, le charbon et le pétrole. Cet hydrogène d'origine fossile doit être purifié des contaminants courants (par exemple, CO2, CH4, CO et H2S) pour d'autres applications de piles à combustible.

La séparation de l'eau assistée par hydrogène d'origine fossile à l'aide d'une membrane céramique dense à conduction oxygène-ion est une technique de purification H2 prometteuse en raison de la sélectivité à 100% d'oxygène de la membrane pour obtenir directement de l'hydrogène pur. Cependant, les membranes conductrices d'oxygène existantes souffrent de problèmes de stabilité chimique dans les conditions de fonctionnement difficiles ci-dessus.

Récemment, des chercheurs de l'Institut Qingdao de la bioénergie et de la technologie des bioprocédés (QIBEBT) de l'Académie chinoise des sciences (CAS) ont développé une nouvelle approche de « réassemblage induit par la réaction d'interface » pour fabriquer des membranes céramiques multicouches avec une couche mince à base d'oxyde de cérium pour une production stable d'hydrogène.

L'étude a été publiée dans Angewandte Chemie International Edition le 3 novembre.

« Les membranes céramiques multicouches sont généralement fabriquées à l'aide de méthodes de dépôt couche par couche. Cependant, ces méthodes nécessitent souvent une procédure en série, et l'épaisseur des couches minces denses est généralement comprise entre 10 et 1000 μm. De plus, les couches minces déposées se délaminent souvent des couches de support pendant le co-frittage », a déclaré l'auteur correspondant, le professeur JIANG Heqing de QIBEBT.

Inspirés par la structure architecturale des graminées enracinées dans le sol, les chercheurs ont développé une approche de réassemblage induite par la réaction d'interface pour fabriquer une membrane céramique à trois couches avec une couche mince dense conductrice d'oxygène enracinée dans sa couche mère, résultant directement d'un frittage en une seule étape de précurseurs céramiques biphasés.

« Dans cette nouvelle approche, en appliquant délibérément un agent de gravure approprié Al2O3, les grains de surface contenant du Fe dans la pastille pressée ont été sélectivement gravés via des réactions d'interface à haute température, produisant une enthalpie de réaction », a déclaré le professeur agrégé HE Guanghu de QIBEBT, premier auteur de l'étude. "La chaleur devrait augmenter la température locale pour entraîner le réassemblage des grains de type fluorite isolés en surface en une couche mince dense qui coupe les réactions d'interface, évitant la croissance continue de la couche mince."

Avec cette approche de réassemblage induite par la réaction d'interface, les chercheurs ont découvert que les couches à base de cérine résultantes étaient très minces (~ 1 μm), très denses et adhéraient fortement aux couches mères, non seulement réduisant considérablement la résistance au transport ionique, mais assurant également l'intégrité structurelle des membranes multicouches pour diverses applications.

À l'aide de la membrane multicouche développée, les chercheurs ont démontré la production d'hydrogène à partir de la séparation de l'eau assistée par l'oxydation de gaz de cokerie simulés contenant H2, CH4, CO2, CO et H2S. Ils ont découvert que la membrane avec une couche mince dense de CGO présentait une très longue durabilité (> 1000 heures), soulignant la promesse de réacteurs à membrane hautes performances pour la production d'hydrogène dans des conditions pratiques.

« Ces résultats suggèrent que cette technique ouvre la voie au développement de céramiques multicouches hautes performances avec des couches fonctionnelles pour diverses applications, par exemple les piles à combustible à oxyde solide et les cellules d'électrolyse à oxyde solide. C'est également l'objet de nos travaux futurs », a déclaré le professeur JIANG Heqing de QIBEBT, qui a dirigé l'étude.

Édition internationale de chimie appliquée

10.1002/anye.202210485

Membrane céramique multicouche avec couche mince conductrice d'ions induite par réaction d'interface pour une production stable d'hydrogène

3-Nov-2022

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