Characterization of Ni-perovskite cermet membranes for hydrogen separation
- 주제(키워드) hydrogen separation , cermet membrane
- 발행기관 고려대학교 대학원
- 지도교수 이기봉
- 발행년도 2013
- 학위수여년월 2013. 2
- 학위구분 석사
- 학과 일반대학원 화공생명공학과
- 원문페이지 97 p
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/korea/000000037761
- 본문언어 영어
- 제출원본 000045745749
초록/요약
Ni-BaCeO3 perovskite cermet 분리막은 자발적이고 선택적인 수소 투과능을 가지고 있어 수소분리 공정에 적용이 가능하다. 본 연구에서는 다양한 dopant들을 치환한 cermet 분리막을 제작하였고 그들의 상 조성, 미세구조, 화학적 안정성에 대하여 연구하였다. Cermet powder는 citrate-nitrate gel combustion method을 이용하여 합성하였고 이어서 8시간 동안 6% 수소/아르곤 분위기에서 1400°C의 고온 소결을 통해 cermet 분리막을 제작하였다. Ni-BaCeO3 cermet 분리막은 수소투과능을 가지고 있지만 아직 실용화 단계 수준에는 미치지 못하는 것으로 알려져 있다. 수소투과능을 증진시키는 것으로 알려진 희토류를 치환시킨 cermet 분리막 (50 wt% Ni-50 wt% BaCe0.8M0.2O3-δ, Ni-BCM, M= Y, Yb, Er, Sm)을 제작하고 그 특성을 확인하였다. X-ray diffraction (XRD) analysis 과 energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) analysis 을 통해 Sm이 들어간 cermet 분리막은 cermet에 대한 Sm의 용해도가 낮아 전부다 치환되지 못하는 것을 확인하였고 Sm의 cermet 분리막에 대한 용해도는 5에서 10 mol% 사이에 존재하는 것을 확인하였다. Field emission scanning electron microscopy (FESEM) 분석과 밀도 측정한 결과, Ni-BCM 분리막들은 치밀한 구조를 가졌고 90% 이상의 높은 상대밀도를 보였다. 그러나 450°C이상의 온도 조건에서 이산화탄소에 의해 cermet의 perovskite상이 화학적으로 쉽게 분해되는 것을 확인하였고 이러한 문제점을 해결하기 위해 화학적 안정성이 뛰어난 Zr을 Ce sites의 30 mol% 만큼 치환한 Ni-BaCe0.5Zr0.3M0.2O3-δ (Ni-BCZM, M=Er, Sm) 을 Ni-BCM 분리막과 동일한 방법으로 제작하였다. XRD 분석, FESEM 분석과 밀도측정 결과, Ni-BCM 분리막과 마찬가지로 순수한 cermet 상을 보였고 치밀한 미세구조를 가졌으며 약 94%에 가까운 높은 상대밀도를 보였다. Zr의 치환으로 인해, 550°C까지 이산화탄소에 대해 완전한 화학적 안정성을 가지는 것을 확인하였고 그 이상의 온도에서도 크게 향상된 화학적 안정성을 보였다. 이를 통해, 수소생산 분리막 반응기나 고체산화물 연료전지에 대한 Ni-BCZM 분리막의 적용가능성을 확인하였다.
more초록/요약
Ni-perovskite based BaCeO3 cermet membrane, which has an ability of non-galvanic and selective H2 permeation, can be applied to H2 separation process. In this study, phase composition, microstructure, and chemical stability of cermet membranes containing various dopants were investigated. Cermet powders were synthesized by the citrate-nitrate gel combustion method and then cermet membranes was obtained through sintering at 1400°C for 8 h in 6% H2/Ar atmosphere. It is known that Ni-BaCeO3 cermet membrane show H2 permeation performance but it is lower than commercial interest. Therefore, cermet membrane containing rare earth dopant which is known to effectively increase the H2 permeation performance was prepared and characterized (50 wt% Ni-50 wt% BaCe0.8M0.2O3-δ, Ni-BCM, M= Y, Yb, Er, Sm). Analyses based on of X-ray diffraction (XRD) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) indicated that only Sm dopant was not fully incorporated into cermet phase due to the limit of solubility and the solubility of Sm was found to be between 5 and 10 mol% of Ce sites. Results of field emission scanning electron microscopy (FESEM) analysis and density measurement showed that Ni-BCM membranes had a dense microstructure and high relative density above 90%. However, these Ni-BCM membranes had poor stability in high CO2 concentration atmosphere at high temperature above 450°C. Therefore, to improve CO2 stability, Ni-BaCe0.5Zr0.3M0.2O3-δ (Ni-BCZM, M=Er, Sm) membranes were fabricated in a similar way by doping Zr. Results of XRD analysis, FESEM analysis and density measurement, in common with Ni-BCM membranes, indicated that Ni-BCZM membranes also had pure cermet phases and dense microstructure with relative density about 94%. Especially, after substitution of 30 mol % Zr, Ni-BCZM powder was chemically stable up to 550ºC in pure CO2 atmosphere. Even higher temperature than 550ºC, the cermet membrane showed greatly improved chemical stability. It indicates that Ni-BCZM membranes have potential to be applied to high-temperature membrane reactor for H2 separation and solid oxide fuel cell.
more목차
ABSTRACT ⅰ
국 문 요 약 ⅲ
CONTENTS v
LIST OF FIGURES ix
LIST OF TABLES xiii
1. INTRODUCTION 1
1.1. Depletion of fossil fuel and environmental pollution 1
1.2. Hydrogen energy as alternative energy carrier 4
1.3. Hydrogen production and separation technologies 6
2. THEORETICAL BACKGROUND 12
2.1. Cermet membrane for H2 separation 12
2.2. Effect of trivalent dopant substitution in cermet 16
2.3. Chemical decomposition of cermet 19
3. EXPERIMENTS 20
3.1. Cermet powder synthesis 20
3.2. Membrane fabrication 22
3.3. Characterization 24
3.3.1. Phase composition 24
3.3.2. Morphology 24
3.3.3. Density measurements 25
3.3.4. CO2 stability 26
3.3.5. H2permeation test 27
4. RESULTS AND DISCUSSION 30
4.1. Ni-BC and Ni-BCM cermet membranes 30
4.1.1. Phase composition of calcined cermet powder 30
4.1.2. Sintering study for densification of cermet membrane 32
4.1.2.1. Effect of sintering temperature and time 32
4.1.2.2. Effect of sintering atmosphere 37
4.1.3. Characterization of sintered cermet membrane 44
4.1.3.1. Phase composition 44
4.1.3.2. Microstructure 47
4.1.3.3. CO2 stability 52
4.2 Ni-BCZ cermet membranes 57
4.2.1. CO2 stability 57
4.3. Ni-BCZM cermet membranes 60
4.3.1. Phase composition of calcined cermet powder 60
4.3.2 Characterization of sintered cermet membrane 62
4.3.2.1. Phase composition 62
4.3.2.2. Microstructure 64
4.3.2.3. CO2 stability 67
4.4. H2 permeation test 69
5. CONCLUSIONS 73
REFERENCES 76
