近日，我所催化基础国家重点实验室无机膜与催化新材料研究组（504组）杨维慎研究员与朱雪峰副研究员在低温稳定混合导体透氧膜方面的研究工作取得新进展，研究成果以快讯的形式发表在Angewandte Chemie International Edition（DOI: 10.1002/anie.201209077）杂志上。
混合导体透氧膜在氧气分离技术方面具有独特的优势：如分离选择性高(100%)、能耗低（比低温精馏技术低>30%）、过程简单、设备投资小、不仅可用于小规模制氧，更适合大规模制氧。混合导体透氧膜技术可与众多重要化工过程集成获得更高的氧气分离效率，如：oxyfuel发电CO2捕获、煤气化、钢铁冶炼、垃圾焚烧、选择催化氧化等。但是，高操作温度（800-1000℃）带来的高温密封难题以及对耐高温氧化钢材的依赖已经成为限制透氧膜技术发展的瓶颈。长期以来，将混合导体透氧膜的操作温度降至低温区间（350-650℃）一直是该领域科学家们追求的目标。因为在低温下运行膜组件不仅可降低膜组件成本和克服高温密封的难题，还有利于大幅降低氧气分离能耗。但是众多实验研究表明，混合导体透氧膜在低温区间渗透通量会随时间快速衰减，然而现有的机理并不能解释所有膜的衰减现象。
无机膜与催化新材料研究组在深入分析膜渗透基本原理和提出新渗透模型的基础之上（AIChE Journal 2012，58,1744-1754），通过实验研究与多种表征技术相结合的方法研究了3种具有代表性的膜材料。在国际上首次发现了膜材料中痕量硫杂质(< 20 ppm)在氧化学势梯度下会定向迁移至膜的渗透侧富集，从而导致膜表面氧交换速率下降和渗透通量衰减的现象，并提出了硫杂质迁移的输运机理。根据该衰减机理首次提出了简单且广泛适用的解决方法，即在膜表面涂覆多孔氧活化层来容纳从膜体相扩散出的硫杂质，从而实现了膜在低温区间的长时间稳定运行。上述研究成果有望显著推动透氧膜技术的发展以及其在众多重要化工过程中的应用。
该项研究得到了国家自然科学基金委和催化基础国家重点实验室相关项目的资助。（文/朱雪峰、王卫平 图/朱雪峰）
