祝贺课题组吴鑫的论文:Design a novel Ca-Mn perovskite oxygen carrier with balanced performance in chemical looping combustion被国际燃烧学会主办的燃烧领域国际知名期刊《Proceedings of the Combustion Institute》收录。赵海波教授为通讯作者,博士生吴鑫为第一作者。
氧载体是化学链燃烧技术的关键基础。目前,大多数氧载体在性能、成本、稳定性和使用寿命等方面存在一个或多个短板。开发性能均衡的氧载体材料至关重要。钙钛矿型氧化物具有稳健的机械性能,高氧化还原活性和热稳定性,成为潜在的化学链燃烧氧载体选项。其中,Ca-Mn系钙钛矿具有氧解耦特性,价格低廉,性能较优,是研究重点。然而,未改性的CaMnO3-δ材料在化学稳定性和热稳定性上有些许缺陷,机械性能也有进一步提高的潜力。基于CaMnO3-δ骨架,通过合理的元素替换,可实现性能裁剪,获得一种无明显短板、性能均衡的氧载体材料。
以CaMnO3-δ为基础,协同组合多种B位元素替换的优势,实现母材性能的定向裁剪和全面提升。具体而言,Ti元素替换提高钙钛矿结构稳定性,抑制钙钛矿相分解和尖晶石相形成,抑制氧载体表面积碳;Fe元素替换显著拓宽钙钛矿相稳定区间,促进氧解耦,增加对燃料的反应活性;Mg元素替换有助于维持良好的流化特性,提高机械强度,延长磨耗寿命。从这种策略出发,设计了一种新型钙钛矿型氧化物氧载体材料(CM0.625TF-Mg),在化学链燃烧应用中具有均衡的表现。这种钙钛矿的B位元素大部分为Mn(5/8),具有较高的载氧率(>8.0 wt.%)和氧解偶能力(>1.0 wt.%)。在此设计中, 实现了载氧率、反应活性、热/化学稳定性、机械强度、使用寿命和原料成本的均衡。
![](/__local/F/56/19/0D5F28E14FBC116DEDC723B46BC_0BD17026_17515.png)
图1 CM0.625TF-Mg氧载体在多次TGA氧化还原循环中的反应速率
在TGA氧化还原循环中,CM0.625TF-Mg氧载体表现出卓越的氧传输能力,同时保留了氧解耦特性。在100次循环中,平均释放了4.94 wt.%的晶格氧。Mg元素替换消除了活化效应,使晶格氧释放更为迅速。在批次流化床反应器实验中,Mg元素替换增强了氧解耦,并显著提高了氧载体与甲烷的反应活性。扫描电子显微镜图片显示,通过液压成型法制备的载氧体颗粒结构致密,内部存在一些孔隙结构,这些结构在多次循环后得以良好保持。抗团聚实验揭示了填充床中载氧体颗粒还原程度存在差异。载氧体表现出足够的热稳定性和化学稳定性,能够抵抗烧结、团聚和相衰退。在多次氧化还原循环中,能量色散光谱数据显示没有发生元素分离或元素径向迁移。X射线衍射结果表明钙钛矿相没有发生衰退。在空气射流磨损测试中,CM0.625TF-Mg氧载体的服役寿命为8333小时。Mg元素替换显著降低了磨损并延长了使用寿命。CM0.625TF-Mg氧载体的原料成本仅为每公斤0.892美元,使用成本为0.00217(美元/公斤[O]/小时)。总之,CM0.625TF-Mg氧载体在反应活性、稳定性、抗烧结团聚、耐磨性和成本方面表现出优秀且均衡的性能,对于化学链燃烧技术在下一阶段的工业示范具有重要价值。
![](/__local/6/A1/C3/5B59A79CE641429AE6E14B7D558_E3F20E86_1BC55.png)
图2 使用甲烷燃料时CM0.625TF-Mg氧载体的化学链燃烧性能
本工作受到国家自然科学基金项目(52025063)资助。
文章完整信息:
Wu X, Liu X, Zou G, et al. Design a novel Ca-Mn perovskite oxygen carrier with balanced performance in chemical looping combustion[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2024, 40(1-4): 105645.
全文链接:
https://doi.org/10.1016/j.proci.2024.105645