酸化物イオン-電子伝導体複相膜の微構造制御とエアセパレー ション

エアセパレーションガスと呼ばれる窒素、酸素、アルゴンガスは、大気の主な構成物質であり、大気から選択分離・精製することで工業的に製造される。中でも、酸素の用途は、産業、医療分野など多岐に渡り、高純度な酸素をその場で製造・供給できるオンサイト型の酸素製造装置へのニーズは高まっている。酸化物イオンと電子の混合伝導性体（MIEC）を用いた酸素分離膜は、膜両側の酸素分圧差を駆動力とし、酸化物イオンを介して高純度な酸素を選択分離する電気化学デバイスとして有望である。しかし、高い酸化物イオン拡散速度を示すペロブスカイト型酸化物MIECを素材とする酸素分離膜でも、材料組成の最適化による酸化物イオン伝導性と電子伝導性の両立やそれらの向上には限界があり、より高い酸化物イオン拡散性を示す酸化物イオン伝導体と電子伝導体を組み合わせたコンポジット材料からなる2相複合膜への期待が高まっている。2022年度は、YSZ-C複相膜の作製と評価を行った。8Y-ZrO2粉末、蒸留水、分散剤としてのポリアクリル酸アンモニウムを混合しスラリーを調製した。 次に、カーボンフェルト（直径20mmΦ）の空隙中にスラリーを真空含浸させた。その後、試料を乾燥し、80 MPaの印加圧力下で1200、1400、および1600℃で10分間、放電プラズマ焼結により焼結した。 焼結後のYSZとカーボンフェルト間の相安定性と化学的適合性はXRDとSEMにより確認した。 1200℃および1400℃における焼結膜は8YSZおよびグラファイトであったが、焼結温度を1600℃まで上げると、第二相である炭化ジルコニアの小さなピークが観察された。1200、1400、および1600℃で焼結した膜の微細構造は、膜が完全に緻密化されており、良好な2相複合膜が作製できた。

エアセパレーションガスと呼ばれる窒素、酸素、アルゴンガスは、大気の主な構成物質であり、大気から選択分離・精製することで工業的に製造される。中でも、酸素の用途は、産業、医療分野など多岐に渡り、高純度な酸素をその場で製造・供給できるオンサイト型の酸素製造装置へのニーズは高まっている。酸化物イオンと電子の混合伝導性体（MIEC）を用いた酸素分離膜は、膜両側の酸素分圧差を駆動力とし、酸化物イオンを介して高純度な酸素を選択分離する電気化学デバイスとして有望である。しかし、高い酸化物イオン拡散速度を示すペロブスカイト型酸化物MIECを素材とする酸素分離膜でも、材料組成の最適化による酸化物イオン伝導性と電子伝導性の両立やそれらの向上には限界があり、より高い酸化物イオン拡散性を示す酸化物イオン伝導体と電子伝導体を組み合わせたコンポジット材料からなる2相複合膜への期待が高まっている。2022年度は、YSZ-C複相膜の作製と評価を行った。8Y-ZrO2粉末、蒸留水、分散剤としてのポリアクリル酸アンモニウムを混合しスラリーを調製した。 次に、カーボンフェルト（直径20mmΦ）の空隙中にスラリーを真空含浸させた。その後、試料を乾燥し、80 MPaの印加圧力下で1200、1400、および1600℃で10分間、放電プラズマ焼結により焼結した。 焼結後のYSZとカーボンフェルト間の相安定性と化学的適合性はXRDとSEMにより確認した。 1200℃および1400℃における焼結膜は8YSZおよびグラファイトであったが、焼結温度を1600℃まで上げると、第二相である炭化ジルコニアの小さなピークが観察された。1200、1400、および1600℃で焼結した膜の微細構造は、膜が完全に緻密化されており、良好な2相複合膜が作製できた。