神奈川大學開發出可在400℃以下吸放氧氣之儲氧材料

 

刊登日期:2024/2/15
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日本神奈川大學開發了一項可在低於400℃的溫度條件下展現出優異吸放氧特性之儲氧材料(氧載體)。此材料為新型氧缺陷鈣鈦礦型鐵氧化物「Ba5CaFe4O12」,且透過實驗確認,在370℃下1.5分鐘內可從模擬空氣(氧氣21%、氮氣79%)中吸收1.2重量%的氧氣,另以氮氣替換之後,吸收的全部氧氣則在3.5分鐘以內排出。以日產能換算的話,新材料1公斤具有可產生2.41立方公尺氧氣的製造能力,約為現有同類材料「Sr0.76Ca0.24FeO3−δ(0.81 m3 kg−1)」的3倍。。

儲氧材料係可根據溫度或氧分壓可逆地吸收、釋放空氣中氧氣的金屬氧化物。此次神奈川大學著眼於低價格的鐵,並進行材料探索。由於既有低成本材料的工作溫度為500~700℃,且對於氧化還原反應、醫藥等各產業領域不可或缺之高純度氧氣需求,新材料將可望促進省能源、大量生成之製造技術的開發。

新開發的鐵氧化物係以金屬離子與氧缺陷之排列週期為單純鈣鈦礦型結構5倍,第一次製作出的「5重鈣鈦礦」。由於結晶內存在了儲存氧的結構(氧缺陷),數量眾多進而帶來了獨特的材料特性。研究團隊透過在氮氣(無氧氣氛)中進行製作,藉此獲得結晶中含有大量氧缺陷的狀態。

透過熱重量分析對「Ba5CaFe4O12」的氧吸收、釋放特性進行調查後,可知當在模擬空氣中提高溫度後,可觀察到因氧氣吸收而促使重量快速增加,並隨著溫度進一步升高,重量逐漸減少,且於400℃左右重量迅速減少,又恢復到原來的重量。在冷卻過程中亦觀察到類似的重量變化,顯示氧的吸收、釋放是可逆的。

此外,「Ba5CaFe4O12」的工作溫度為370°C,相較於上述「Sr0.76Ca0.24FeO3−δ」的工作溫度低了180°C。因此新材料在工作溫度的低溫化(節能)與增加氧氣產量(生產性)兩方面可望成為優異的儲氧材料。目前已證明具有吸放氧10次循環後仍未出現劣化的可逆性。「Ba5CaFe4O12」是一項透過化學迴路空氣分離(Chemical Looping Air Separation)製造氧氣的有力材料,可望為降低氧氣生產成本、提高能源效率有所貢獻。


資料來源: https://chemicaldaily.com/archives/408572
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