Патент на изобретение №2237038

(54) КЕРАМИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ФЛЮОРИТОВОГО ТИПА

(57) Реферат:

Настоящее изобретение относится к керамическому материалу флюоритового типа для применения в производстве ионо- и/или электронопроводящих керамических продуктов, в частности, для мембран, применяемых для разделения кислорода и кислородсодержащей газовой смеси, и для электролитов в топливных элементах и электрохимических реакторах. Керамический материал флюоритового типа A_xB_yO₂–_, где х1, у1 и -1<<1; А представляет собой один или несколько металлов, выбранных из группы Ti, Zr, Hf, Се и Th или их смеси; В представляет собой, по крайней мере, два металла, выбранных из группы 2А, 3Б и лантанидной группы металлов. Полученный материал является сравнительно дешевым керамическим материалом флюоритового типа и обладает высокой кислородно-ионной или смешанной кислородно-ионной и электронной проводимостью при высоких или средних температурах. 1 з.п. ф-лы.

Настоящее изобретение относится к керамическому материалу, в частности к керамическому материалу флюоритового типа для применения в производстве ионо- и/или электронопроводящих керамических продуктов, в частности, для мембран, применяемых для разделения кислорода и кислородсодержащей газовой смеси, и для электролитов в топливных элементах и электрохимических реакторах.

Известны керамические материалы флюоритового типа, имеющие общую формулу

A_xB_yO_2-

где х1, у1, – 1<<1;

А представляет собой один или несколько металлов, выбранных из группы Ti, Zr, Hf, Се и Тh;

В представляет собой, по крайней мере, еще один металл, выбранный из группы 2А, 3Б, и лантанидной группы (см. Bentzen J.J. et al. “Electrical Conductivity, Structure and Thermal Expansion Behaviour of ZrO₂-CeO₂-Gd₂O₃ Solid Solutions”, Solid State Ionics, vol.40/41, no. Part. 02, 01.08.1990, p.942-946, ХРOOO173456, abstract, WO 91/09430, С 04 В 35/50, 27.06.1991, GB 1322959, 11.07.1973, Н 01 М 27/16, GB 211467, 01.09.1983, C 01 F 5/02, ЕР 722194, 17.07.1996, С 04 В 35/50).

Керамические материалы для кислородных проводников, основанные на церии, легированном такими металлами, как Y, Sm и Gd, способны проявлять смешанную ионную и электронную проводимость в зависимости от парциального давления кислорода. Материалы на основе церия обладают более высоким значением проводимости, чем материалы на основе циркония, при температуре менее 1000°С, что делает материалы на основе церия применимыми для коммерческого выделения кислорода, применения в топливных элементах и катализаторах. Однако цены на чистый церий и чистые легирующие присадки препятствуют широкому применению. Кроме того, применяемые обычно смешанные оксиды могут быть чрезвычайно тугоплавкими и чрезвычайно неподдающимися спеканию в плотные керамические компоненты.

Задачей изобретения является разработка сравнительно дешевого керамического материала флюоритового типа, обладающего высокой кислородно-ионной или смешанной кислородно-ионной и электронной проводимостью при высоких или средних температурах.

Поставленная задача решается предлагаемым керамическим материалом флюоритового типа, имеющим общую формулу

A_xB_yO_2-

где х1, у1, – 1<<1, А представляет собой Се;

В представляет собой, по крайней мере, два металла, выбранных из группы 2А, 3Б, и лантанидной группы, за счет того, что Се использован в виде концентрата из бастнезитных минералов.

Изобретение иллюстрируется следующим примером.

Пример

Синтез Ce_0,8(Sm/Gd)_0,2О_1,9.

В качестве сырья используют полученный из бастнезитных минералов Се-концентрат марки 5300 (продукт формулы Unocal/Molycorp, Калифорния, США) состава (вес.%): 55,0 СеО₂, 0,7 Fе₂О₃, 0,5-2 SrO, 5-10 CaO, 5-9 BaO, 6-10 F, 2-6 Р₂О₅, остаток – окислы других металлов лантанидной группы (потери при прокаливании: 5-10 вес.%), имеющий объемный вес 1,6-1,85 г/см³, и поставляемый указанной фирмой продукт на основе окисла самария состава (вес.%): 57,20 Sm₂O₃, 21,52 Gd₂O₃, 7,24 Y₂O₃, 2,28 En₂O₃, остаток – окислы других металлов лантанидной группы (потеря при прокалывании: 0,53 вес.%). Данный продукт растворяют в 65%-ной азотной кислоте при соотношении 1:3,7. Концентрат церия также растворяют в 65%-ной азотной кислоте. Затем оба раствора смешивают в соотношении, соответствующем химической формуле. К полученному раствору добавляют топливо горения и по каплям подают во вращающуюся печь, в которой установлена температура 600°С. Получаемый керамический материал имеет вышеприведенную формулу и следующие свойства.

Удельная поверхность: 53,4 м²/г.

Кубическая структура с параметром а=5,430 и размером кристаллита D⁽²²⁰⁾=100 (согласно методу дифракции рентгеновскими лучами). Гранулы прессуют и спекают при температуре 1600°С в течение 2 часов в воздушной атмосфере.

Согласно методу дифракции рентгеновскими лучами продукт имеет кубическую структуру с параметром а=5,424 .

Формула изобретения

1. Керамический материал флюоритового типа, имеющий общую формулу

А_xB_yO_2-,

где х1, и у1, и -1<<1;

А представляет собой Се;

В представляет собой, по крайней мере, два металла, выбранных из группы 2А, 3Б и лантанидной группы,

отличающийся тем, что Се использован в виде концентрата из бастнeзитных минералов.

2. Керамический материал по п.1, отличающийся тем, что В содержит смешанные оксиды Sm, Gd,Y.