[发明专利]一种含钴并掺杂的高性能氧吸附剂

说明书

一种含钴且金属阳离子掺杂的钙钛矿型氧吸附剂，其具有高度氧非化学计量比结构，其化学式为(A_1‑xA^′_x)(B_1‑yB^′_y)O_3‑δ，其中δ为非化学计量比，0≤δ≤0.5，0≤x≤0.4，0≤y≤0.4，A和A^′为Ba、Ca、Sr和La中的至少两种，B和B^′为Co、Fe、Ti和Nb中的至少两种。在钙钛矿型复合金属氧化物的基础上，在A和A^′、B和B^′选择性地掺杂目标金属元素，科学控制金属元素的掺杂比例与组成类型，在提供氧非化学计量比δ同时可增加氧吸附剂本身稳定性。本发明的含钴高性能氧吸附剂在用于高纯氧分离和氧富集过程中具有良好的实际应用效果。

技术领域

本发明属化工吸附分离与应用技术领域，具体涉及一种高性能含钴氧吸附剂及其制备方法。

背景技术

随着人类社会和科学技术的不断发展进步，氧气的工业生产和应用越来越广泛和重要。截至目前，工业制氧的主要方法一般为深冷分离法和吸附法。深冷分离法利用氧气和氮气的沸点不同，从空气中直接制备高纯氧气，该法是目前应用最为广泛的氧气制备和获取方法，适用于超大规模生产制备高纯氧气和氮气，但能耗极高，投资巨大。吸附法是让空气通过含有吸附剂的吸附塔，利用吸附剂的选择性吸附来分离制氧或富氧，特点是流程相对简单，设备便易，适用于中小型规模化生产。随着时间的推移，人们对变压/变温吸附分离技术给予了越来越多的关注，在吸附剂的研制和相关工艺技术上亦取得了较大进展，然而吸附剂的吸附容量和再生能力，吸附分离系数，吸附剂强度等性能还有待进一步提高。

具有氧离子和电子导电性的导体材料是一类对氧具有吸附/脱附选择性的新型材料。在氧气分压和操作温度发生可控变化时，这种材料会进行选择性地氧吸附和脱附，当氧分压下降或温度升高时，这种材料便会失氧，非化学计量比就会升高；而当氧分压升高或温度降低，非化学计量比就会升高，这种材料又会吸收环境中的氧气。将混合导体陶瓷材料用作氧吸附剂，其氧吸附机理与致密透氧膜的透氧机理类似，通过氧气与氧空位发生化学反应来进行氧气的吸附/脱附循环过程，同时氧又在驱动力作用下在材料内部/表面上进行传导。因为高温密封和复合膜组件设计等问题，将混合导体材料用作透氧膜当前较难实现大规模工业化，而将同类材料制成氧吸附剂进行高纯氧制备时，不存在透氧膜高温密封或组件设计耦合等复杂问题，故有重要的潜在应用前景。钙钛矿型混合导体透氧材料具有高电子/氧离子导电性，其氧吸附量以及材料稳定性等性能指标与其元素组成密切相关。钙钛矿结构分子式为 ABO₃，其中A位由一些离子半径较大的金属离子占据，如碱金属和碱土金属等；B位由离子半径较小的过渡金属阳离子占据。但当氧非化学计量比达到较高后，氧空位缔合或会发生有序排列，反而使氧离子电导率降低，其中SrCo_0.8Fe_0.2O_3-δ具有最高氧吸附量，但其相结构不够稳定。在A位掺杂其他金属元素取代部分Sr改善材料稳定性，如Sr_1-xA_xCo_0.8Fe_0.2O_3-δ（A = La、Ba）。除了A位复合掺杂外，还可通过B位的复合掺杂具有高稳定价态的金属阳离子来改善吸附性能或透氧材料结构稳定性，另外，通常认为含Co的混合导体有高的氧吸附量，但其结构稳定有待进一步提高。

发明内容

本发明为现有技术提供了一种高性能氧吸附剂，其在钙钛矿型复合金属氧化物中进行了选择性科学取代并复合掺杂，结果表现出良好的氧吸附/脱附性能。

本发明的技术目的通过以下技术方案实现：