Исследование кислородной проницаемости микротрубчатых мембран на основе перовскито-подобных оксидов, изготовленных методом фазовой инверсии с использованием аддитивных методов

Материалы на основе сложных оксидов со смешанной кислород-электронной проводимостью (СКЭП оксиды) привлекают внимание возможностью их применения в химической, газовой и энергетической областях промышленности. Они могут быть использованы в качестве мембранных материалов или сорбентов для получения чистого кислорода из воздуха и последующего эффективного сжигания топлива или каталитической конверсии метана в синтез газ, а также датчиков кислорода, в качестве электродов для твердотельных топливных элементов. Кислородный транспорт в подобных материалах осуществляется за счет градиента химического потенциала кислорода, а электрический баланс обеспечивается собственной электронной проводимостью оксидов. Мембраны на основе СКЭП оксидов позволяют сепарировать кислород из воздуха со 100% селективностью, а интеграция мембран в каталитические реакторы позволит совместить стадии сепарации и парциального окисления метана с образованием синтез газа, что позволит сократить капитальные расходы, по оценкам экономистов, на ~30%. Мембранными материалами, обладающими необходимыми свойствами, как правило, являются перовскитоподобные нестехиометрические оксиды. Для успешного использования СКЭП материалов в процессах окисления углеводородов, необходимо разработать технологии получения газоплотных мембран на их основе. Наиболее перспективным направлением считается получение мембран в виде микротрубок, которые позволяют значительно увеличить эффективность кислородной проницаемости. Как правило, для управления функциональными характеристиками мембраны необходимо знать механизм переноса кислорода, его зависимость от геометрических параметров мембраны (толщина газоплотного слоя, вид и размер пор). На данный момент подобная задача решена для мембран планарного типа, но не для микротрубчатого, ввиду отсутствия единого стандарта синтеза, который приводит к невоспроизводимой микроструктуре конечного изделия. В данной работе предлагается использование методов 3D печати для изготовления пористой мембранной подложки с контролируемой микроструктурой. Газоплотный слой будет получен методом dip-coating с точностью 1 мкм. Образцы с единой основой, но разной толщиной газоплотного слоя будут изучены на предмет кислородной проницаемости. Дальнейший анализ позволит построить математическую модель кислородного транспорта на микротрубчатой мембране с известной структуре, что будет являться оригинальным результатом. Реализация данного подхода будет являться первым шагом к дальнейшему масштабированию технологии создания каталитических мембранных реакторов (КМР). Мелкомасштабное использование КМР очень важно именно для России из-за недостаточной развитой сетевой инфраструктуры и низкой плотности населения. Крупномасштабное внедрение данной технологии важно с точки зрения диверсификации Российской экономики; превращение природного газа, в основном состоящего из метана, а также биогаза в ценные продукты, включая синтез-газ и водород, имеет большой социально-экономический эффект не только для региона, но и России в целом.