Химики Уральского федерального университета усовершенствовали керамические мембраны, которые селективно выделяют кислород из газовых смесей. В химический состав материала ученые добавили марганец, благодаря чему улучшилась селективная проницаемость мембран по кислороду. Иными словами, благодаря новому химсоставу мембраны будут быстрее «отбирать» кислород и эффективнее доставлять его.

Описание метода исследования и подробные расчеты опубликованы в Journal of the European Ceramic Society.

«Такие мембраны могут применяться для производства чистого кислорода в медицине, для дозированной подачи кислорода в химические реакторы парциального окисления углеводородов и для извлечения кислорода из газовых смесей, — объясняет доцент кафедры физической и неорганической химии УрФУ Евгений Киселев. — Сфера применения данных материалов не ограничивается только мембранными технологиями. Благодаря смешанной кислород-ионной и электронной проводимости их можно использовать в водородной энергетике в качестве катодных материалов высокотемпературных твердооксидных топливных элементов. Это источники тока, которые наиболее эффективно и экологично преобразовывают энергию химической реакции в электрическую».

Керамические мембраны — это сложные оксиды лантана, стронция, никеля и марганца. Основными преимуществами исследуемых мембран являются механическая прочность и химическая инертность к углекислому газу в сравнении с оксидными мембранами на основе стронция, бария, железа и кобальта. Химическое взаимодействие последних с углекислым газом ограничивает их промышленное применение. К недостаткам исследуемых мембран можно отнести относительно низкую проницаемость по кислороду.

«Наше исследование нацелено на решение фундаментальной задачи — выяснить, какие именно факторы и в какой степени позволяют улучшать функциональные свойства изучаемых материалов. Модифицирование химического состава мембраны путем частичного замещения никеля на марганец на порядок увеличило скорость кислородного обмена поверхности мембраны с газовой фазой. Благодаря этому вкладу удельная кислородопроницаемость мембраны возросла более чем на один порядок», — говорит Евгений Киселев.

Упрощенно перенос кислорода через мембрану осуществляется в три стадии. Сначала молекулярный кислород из газовой фазы встраивается в поверхностные слои керамической мембраны в виде ионов кислорода. Затем происходит диффузия ионов кислорода сквозь толщину мембран и, наконец, обратное преобразование ионов кислорода на противоположной поверхности мембраны с высвобождением газообразного кислорода.

В зависимости от химического состава, микроструктуры поверхности мембраны и внешних термодинамических условий — температуры и содержания кислорода в газовой фазе — скорости этих стадий могут сильно различаться. Самая медленная стадия будет ограничивать общий поток кислорода, проходящий через мембрану.

«Чтобы перенос ионов кислорода через мембрану проходил быстрее, мы можем сделать несколько улучшений. Увеличение скорости поверхностного обмена кислорода за счет добавления марганца в состав — только один из обнаруженных нами ключевых факторов, определяющих скорость процесса. Самый медленный процесс переноса кислорода через исследуемые мембраны — диффузию — можно оптимизировать за счет уменьшения толщины мембраны и повышения температуры», — поясняет ученый.

Исследование поддержало Министерство науки и высшего образования Российской Федерации (мегагрант № 075–15–2019–1924).