JP2003137641A - Porcelain composition, composite material, oxygen separator and chemical reactor - Google Patents
Porcelain composition, composite material, oxygen separator and chemical reactorInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、酸素の工業的選択
透過・分離プロセス、あるいは炭化水素の部分酸化用隔
膜リアクターなどに応用される、酸化物イオン混合伝導
体磁器組成物、複合材料、酸素分離装置、及び化学反応
装置に関するものである。TECHNICAL FIELD The present invention relates to an oxide-ion mixed conductor porcelain composition, a composite material, and oxygen, which are applied to an industrial selective permeation / separation process of oxygen, a diaphragm reactor for partial oxidation of hydrocarbons, and the like. The present invention relates to a separation device and a chemical reaction device.
【0002】[0002]
【従来の技術】近年、イオン伝導材料を薄膜化し、これ
を用いて工業的に特定成分の分離や精製を行うプロセス
は、著しく進歩・発展している。中でも酸化物イオン伝
導材料を用い、大気などの混合気体から酸素を選択的に
透過させて分離・精製するプロセスは、医学用途のため
の小規模な酸素ポンプから、大規模な気体発生・精製プ
ラントにまで適用が期待されている。また最近では、酸
化物イオン伝導材料の隔膜で酸素混合気体と炭化水素ガ
スとを隔絶し、酸素を選択的に透過させて炭化水素を部
分酸化させる方法、いわゆる隔膜リアクターとしての使
用も検討されている。2. Description of the Related Art In recent years, a process for thinning an ion conductive material and industrially separating or purifying a specific component using the thin film has been remarkably advanced and developed. Above all, the process of selectively permeating oxygen from a mixed gas such as the atmosphere using an oxide ion conductive material to separate and purify is performed from a small-scale oxygen pump for medical use to a large-scale gas generation / purification plant. It is expected to be applied to. In addition, recently, a method of separating oxygen-mixed gas and hydrocarbon gas by a diaphragm made of an oxide ion conductive material and selectively permeating oxygen to partially oxidize hydrocarbons, that is, use as a so-called diaphragm reactor has been studied. There is.
【0003】この目的に利用できる酸化物イオン伝導性
のセラミックス材料としては、酸素イオンのみを伝える
酸化物イオン伝導体と、酸素イオンと電子または正孔を
同時に伝える酸化物イオン混合伝導体が知られている。
中でも酸化物イオン混合伝導体は、材料自体が電子また
は正孔を伝えることができるため、酸素イオンの移動を
持続させるために必要な電荷の補償を、外部電流回路の
形成をしなくても行えるので、酸素分離の用途には、よ
り好適であると考えられている。即ち、酸化物イオン混
合伝導体によって酸素分離を行うためには、この混合伝
導体の両側の酸素ポテンシャルを異なるようにするだけ
でよく、酸素分圧の高い側から低い側に向かって酸素の
みが混合伝導体を透過し、それ以外のガス成分は混合伝
導体を透過できず、酸素の選択的な透過・分離が行え
る。As oxide-ion-conductive ceramic materials that can be used for this purpose, oxide-ion conductors that transmit only oxygen ions and oxide-ion mixed conductors that simultaneously transmit oxygen ions and electrons or holes are known. ing.
Among them, the oxide-ion mixed conductor can perform charge compensation for sustaining the movement of oxygen ions without forming an external current circuit because the material itself can transmit electrons or holes. Therefore, it is considered to be more suitable for oxygen separation applications. That is, in order to perform oxygen separation by the oxide-ion mixed conductor, it suffices that the oxygen potentials on both sides of this mixed conductor are made different, and only oxygen is increased from the side having a higher oxygen partial pressure to the side having a lower oxygen partial pressure. Gas components that pass through the mixed conductor cannot pass through the mixed conductor, and other gas components can selectively permeate and separate oxygen.
【0004】このような酸素の選択的透過・分離プロセ
ス、あるいは隔膜リアクターなどを実用化するために
は、高い酸化物イオン伝導性を有する材料が必要である
が、その条件を満たす材料としてペロブスカイト型構造
を有する酸化物イオン混合伝導体が検討されている。ペ
ロブスカイト型構造は、アニオンの酸素が12個配位する
サイト(Aサイト)と、6個配位するサイト(Bサイト)
にそれぞれカチオンが占有している結晶構造であるが、
上記の目的で検討されている材料の多くは、BサイトにC
oまたはFeを含んでいる。In order to put such oxygen selective permeation / separation process or a diaphragm reactor into practical use, a material having high oxide ion conductivity is required. As a material satisfying the requirement, a perovskite type material is required. Structured oxide-ion mixed conductors have been investigated. The perovskite structure has a site (A site) where 12 oxygen atoms of the anion coordinate and a site (B site) where 6 oxygen atoms coordinate.
Each has a crystal structure occupied by cations,
Many of the materials considered for the above purposes have C at the B site.
Contains o or Fe.
【0005】例えば、特開昭56-92103号公報に開示され
ている[LaxSr(1-x)]CoO3-α(xは0.1〜0.9、αは0〜0.
5の範囲)、あるいは特開昭61-21717号公報に開示され
ている[La(1-x)Srx][Co(1-y)Fey]O3-δ(xは0.1〜1.
0、yは0.05〜1.0、δは0.5〜0の範囲)などの磁器組成
物が有力な候補材料として知られている。この他に特開
平6-206706号公報においては、AxBax'ByB'y'B"y"O3-z
(AはICUPAによって採用される元素周期律表による1、
2及び3族とf周期のランタナイド族からなる群から選
択され、B、B'及びB"がd周期の遷移金属から選択さ
れ、さらに0≦x≦1、0<x'≦1、0<y≦1、0≦y'≦1、0≦
y"≦1、x+x'=1、y+y'+y"=1であり、zは組成物の電荷が
中性であるときに与えられる数値)なる、極めて広い組
成範囲の酸化物イオン輸送透過膜が提案され、その具体
例としてLa0.2Ba0.8Co0.8Fe0.2O2.6等が示されている。For example, [La x Sr (1-x) ] CoO 3- α (x is 0.1 to 0.9, α is 0 to 0. 0, which is disclosed in JP-A-56-92103.
Range of 5), or JP 61-21717 Patent disclosed in Japanese [La (1-x) Sr x] [Co (1-y) Fe y] O 3- δ (x is 0.1 to 1.
0, y is in the range of 0.05 to 1.0, and δ is in the range of 0.5 to 0), etc., and porcelain compositions are known as strong candidate materials. In JP-A 6-206706 discloses In addition, A x Ba x 'B y B' y 'B "y" O 3-z
(A is 1, according to the Periodic Table of Elements adopted by ICUPA,
Selected from the group consisting of groups 2 and 3 and lanthanide group of f period, B, B ′ and B ″ are selected from transition metals of d period, and 0 ≦ x ≦ 1, 0 <x ′ ≦ 1, 0 < y≤1, 0≤y'≤1, 0≤
An oxide with an extremely wide composition range in which y "≤1, x + x '= 1, y + y' + y" = 1 and z is a numerical value given when the charge of the composition is neutral) Ion transport permeable membranes have been proposed, and specific examples thereof include La 0.2 Ba 0.8 Co 0.8 Fe 0.2 O 2.6 .
【0006】このように多くのペロブスカイト型酸化物
イオン混合伝導体材料は、Ca、Sr、Baなどのアルカリ土
類元素と、Coに加えて、AサイトにLaやY、BサイトにF
e、Cr、Tiなどの添加元素を含んでいる。これは、SrCoO
3-αなどの添加元素を含まない材料においてはペロブス
カイト型構造が相対的に不安定となり、代わりに酸素透
過速度が極めて低いBaNiO3型六方晶の相が出現してしま
うためである。As described above, many perovskite-type oxide ion mixed conductor materials contain La and Y at the A site and F at the B site in addition to the alkaline earth elements such as Ca, Sr, and Ba.
Contains additional elements such as e, Cr, and Ti. This is SrCoO
This is because the perovskite structure becomes relatively unstable in a material containing no additional element such as 3- α, and instead, a BaNiO 3 type hexagonal phase having an extremely low oxygen permeation rate appears.
【0007】一方、H.KusabaらはElectrochemistry, vo
l.68, No.6 (2000) pp.409-411において、Sr0.9Ca0.1Co
0.9In0.1O3-δの室温での結晶構造はBaNiO3型六方晶で
あり、860℃以上の高温では立方晶ペロブスカイトに変
態する事を報告している。加えて我々はSrCo0.9In0.1O
3-δの結晶構造も検討した結果、同じくBaNiO3型であ
り、InはAサイトのSrの濃度が高い組成では立方晶ペロ
ブスカイトの安定化効果は示さない元素であることを確
認した。On the other hand, H. Kusaba et al., Electrochemistry, vo
l.68, No.6 (2000) pp.409-411, Sr 0.9 Ca 0.1 Co
The crystal structure of 0.9 In 0.1 O 3- δ at room temperature is BaNiO 3 type hexagonal crystal, and it is reported that it transforms to cubic perovskite at high temperature of 860 ℃ or higher. In addition we use SrCo 0.9 In 0.1 O
As a result of investigating the crystal structure of 3- δ, it was confirmed that it is also BaNiO 3 type and In is an element which does not show the stabilizing effect of cubic perovskite in the composition having a high concentration of Sr at the A site.
【0008】ところで、Y. TeraokaらはChemistry Let
ters, pp.503-506, 1988において、組成式La0.6A'0.4Co
0.8Fe0.2O3-δで表されるペロブスカイト型酸化物の酸
素透過速度を調べ、ペロブスカイト型構造のAサイトにB
aを含む事によって酸素透過速度を向上できる事を指摘
している。この知見を拡張して考えるならば、混合伝導
体のペロブスカイト型酸化物のAサイトを占める元素と
してよく用いられるSrやLaを、なるべく多くBaで置換す
る事により、ペロブスカイト型混合伝導体酸化物の酸素
透過速度の向上が図れると期待される。特に3価イオン
であるLaを2価のBaで置き換える事は、酸素透過のキャ
リアーである結晶中の酸素空孔を増やす事にもつなが
り、酸素透過速度向上の方策としては一石二鳥の効果が
期待される。By the way, Y. Teraoka et al. Chemistry Let
ters, Pp.503-506, in 1988, the composition formula La 0.6 A '0.4 Co
The oxygen permeation rate of the perovskite type oxide represented by 0.8 Fe 0.2 O 3 − δ was investigated, and B was added to the A site of the perovskite type structure.
It is pointed out that inclusion of a can improve the oxygen transmission rate. If we extend this finding, by substituting Ba as much as possible for Sr and La, which are often used as elements that occupy the A site of perovskite-type oxides of mixed conductors, the perovskite-type mixed conductor oxides It is expected that the oxygen transmission rate can be improved. Replacing La, which is a trivalent ion, with divalent Ba, in particular, leads to an increase in oxygen vacancies in the crystal that is a carrier for oxygen transmission, and the effect of two birds with one stone is expected as a measure for improving the oxygen transmission rate. It
【0009】[0009]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、日本化
学会編「ペロブスカイト関連化合物」季刊化学総説、N
o.32 (1997)、pp.11-13に示されているように、ペロブ
スカイトのAサイトをイオン半径の小さいSrからイオン
半径の大きいBaで置換してゆくと、BaNiO3型などの構造
がペロブスカイト型構造よりも安定となって現れやすく
なる事が知られている。実際に我々が予備実験を行った
結果でも、SrCo0.8Fe0.2O3-δの焼結体の結晶構造は立
方晶のペロブスカイト型であったのに対し、BaCo0.8Fe
0.2O3-δではペロブスカイト型とは結晶構造の異なる、
低酸素透過速度の相が現れていた。この異相は A. J. J
acobsonらがJ. Solid State Chemistry, vol.35 (198
0) pp.334-340で報告している、BaNiO3型と類似の構造
の六方晶12H-BaCoO3-x型構造に帰属された。[Problems to be Solved by the Invention] However, "Perovskite-related compounds" edited by The Chemical Society of Japan, Quarterly Chemistry Review, N
As shown in o.32 (1997), pp.11-13, when the A site of perovskite is replaced with Sr having a small ionic radius by Ba having a large ionic radius, a structure such as BaNiO 3 type is formed. It is known that it is more stable and easier to appear than the perovskite structure. Even when we actually conducted preliminary experiments, while the crystal structure of the sintered body of SrCo 0.8 Fe 0.2 O 3 -δ was cubic perovskite type, BaCo 0.8 Fe
0.2 O 3- δ has a different crystal structure from the perovskite type,
A phase of low oxygen transmission rate was apparent. This outrage is AJ J
acobson et al. J. Solid State Chemistry, vol.35 (198
0) It was assigned to the hexagonal 12H-BaCoO 3-x type structure with a structure similar to that of BaNiO 3 type reported in pp.334-340.
【0010】また同様に、La0.2Sr0.8CoO3-δ焼結体で
は立方晶ペロブスカイト型であるのに対し、La0.2Ba0.8
CoO3-δでは12H-BaCoO3-x型となってしまった。またマ
ザネックらが特開平6-56428号公報において開示してい
るように、YはLaを代替してペロブスカイトのAサイトを
置換する元素として従来より認識されてきているが、本
発明者らがYをAサイトに含み、Baの割合が多い組成、例
えばBa0.8Sr0.1Y0.1CoO3-δを合成・検討した結果、安
定なペロブスカイト型構造は得られなかった。またH.W.
BrinkmanらはSoild State Ionics, vol.68 (1994) pp.1
73-176において、BサイトにYを置換したBaCo0.95Y0.05O
3-δを検討し、その結晶構造がやはりBaCoO3-x型六方晶
である事を報告している。以上のように、AサイトのBa
による置換がペロブスカイト型構造を不安定化する要因
である事が再確認された。Similarly, the La 0.2 Sr 0.8 CoO 3 -δ sintered body has a cubic perovskite type, whereas La 0.2 Ba 0.8
In CoO 3- δ, it became 12H-BaCoO 3-x type. Further, as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 6-56428 by Mazanek et al., Y has been conventionally recognized as an element substituting La for substituting the A site of perovskite. A stable perovskite structure was not obtained as a result of synthesizing and investigating a composition containing B in the A site and having a large proportion of Ba, for example, Ba 0.8 Sr 0.1 Y 0.1 CoO 3 -δ. Also HW
Brinkman et al. Soild State Ionics, vol.68 (1994) pp.1
73-176, BaCo 0.95 Y 0.05 O with Y substituted at the B site
We investigated 3- δ and reported that the crystal structure was also BaCoO 3-x type hexagonal crystal. As mentioned above, Ba of A site
It was reconfirmed that the substitution by is a factor that destabilizes the perovskite structure.
【0011】前述の通り、BaNiO3型やその類似構造の異
相では酸素透過速度が極めて低く、これらの現れる材料
は酸素分離装置などに使用できない。すなわち、[La
(1-x)Sr x][Co(1-y)Fey]O3-δのような従来の酸化物イオ
ン混合伝導体材料系では、AサイトのLaやSrをBaで置換
することによりBaの割合を増やして酸素透過速度を向上
させようとすると、立方晶ペロブスカイト型構造の安定
性が不十分となって、BaNiO3型のような異相を生じてし
まい、逆に酸素透過速度が低下してしまうというジレン
マを有していた。As mentioned above, BaNiO3Different types or similar structures
Oxygen permeation rate is extremely low in the phase
Cannot be used in oxygen separators. That is, [La
(1-x)Sr x] [Co(1-y)Fey] O3-Conventional oxide io such as δ
In a mixed conductor material system, La and Sr at the A site are replaced by Ba
By increasing the proportion of Ba to improve the oxygen transmission rate
The cubic perovskite structure is stable.
Is insufficient, BaNiO3It ’s like a mold
On the contrary, diren that oxygen transmission rate decreases
Had a ma.
【0012】そこで本発明の目的は、ペロブスカイト型
の酸化物イオン混合伝導体において、AサイトのBaの割
合が高く、なおかつ立方晶ペロブスカイト型の相が十分
安定で、高い酸素透過速度を示す磁器組成物を提供する
ことにある。またこれを応用し、酸素透過速度の高いガ
ス分離用の複合材料や、酸素分離装置及び化学反応装置
を供給することにある。Therefore, an object of the present invention is to provide a perovskite-type oxide-ion mixed conductor in which the proportion of Ba at the A site is high, the cubic perovskite-type phase is sufficiently stable, and a porcelain composition exhibiting a high oxygen permeation rate is obtained. To provide things. Further, by applying this, a composite material for gas separation having a high oxygen permeation rate, an oxygen separation device and a chemical reaction device are supplied.
【0013】[0013]
【課題を解決するための手段】本発明者は、鋭意検討の
結果、以下に示す発明の諸態様に想到した。As a result of intensive studies, the present inventor has come up with various aspects of the invention described below.
【0014】(1) 実質的にペロブスカイト型結晶構
造を有する酸化物イオン混合伝導体磁器組成物であっ
て、該酸化物イオン混合伝導体磁器組成物が少なくとも
1)Ba、2)Co、及び/又はFe、3)In、及び/又はS
n、及び/又はY、の1)から3)を同時に含み、3)が
ペロブスカイト型構造のBサイトに配置されている事を
特徴とする磁器組成物。(1) An oxide-ion mixed conductor porcelain composition having a substantially perovskite type crystal structure, wherein the oxide-ion mixed conductor porcelain composition is at least 1) Ba, 2) Co, and / or Or Fe, 3) In, and / or S
A porcelain composition characterized in that it includes n and / or Y) 1) to 3) at the same time and 3) is arranged at the B site of the perovskite structure.
【0015】(2) 前記酸化物イオン混合伝導体磁器
組成物の組成が、下記の組成式(式1)で表される事を
特徴とする、前記(1)記載の磁器組成物。
(BaxA1-x)α(B1-y-z-z'-z"CyDzEz'Fz")O(3-δ) ・・・(式1)
ただし、AはSr、Ca、ランタノイド元素のいずれか、ま
たはこれらの内の2種以上を含んでなる組合せ、BはC
o、及び/又はFeを含んでなる組合せ、CはIn、Y、Snの
いずれか、またこれらの内の2種以上の組合せ、DはN
b、Ta、Ti、Zrのいずれか、またはこれらの内の2種以
上の組合せ、EはCu、Ni、Zn、Li、Mgのいずれか、また
はこれらの内の2種以上の組合せ、FはCr、Ga、Alのい
ずれか、あるいはこれらの内の2種以上の組合せ、xの
範囲はCがInの場合には0.4≦x≦1.0の範囲、CがYの場合
には0.5≦x≦1.0の範囲、CがSnの場合には0.2≦x≦1.0
の範囲、CがIn、Y、Snの内の2種以上の組合せである場
合には0.2≦x≦1.0の範囲、yの範囲はCがYの場合は0.06
≦y≦0.3の範囲、CがIn、Snのいずれか、またはIn、Y、
Snの内の2種以上の組合せの場合は0.02≦y≦0.3の範
囲、0≦z≦0.2、0≦z'≦0.2、0≦z"≦0.2、0.9≦α≦1.
1、δは電荷中性条件を満たすように決まる値である。(2) The porcelain composition according to (1) above, wherein the composition of the oxide-ion mixed conductor porcelain composition is represented by the following composition formula (formula 1). (Ba x A 1-x) α (B 1-yz-z'-z "C y D z E z 'F z") O (3- δ) ··· ( Equation 1) where, A is Sr, Any of Ca and lanthanoid elements, or a combination comprising two or more of these elements, B is C
a combination comprising o and / or Fe, C is any of In, Y and Sn, and a combination of two or more of these, D is N
b, Ta, Ti, Zr, or a combination of two or more of them, E is Cu, Ni, Zn, Li, Mg, or a combination of two or more of these, and F is Any one of Cr, Ga, and Al, or a combination of two or more thereof, and the range of x is 0.4 ≦ x ≦ 1.0 when C is In, and 0.5 ≦ x ≦ when C is Y. Range of 1.0, 0.2 ≦ x ≦ 1.0 when C is Sn
Range, when C is a combination of two or more of In, Y, and Sn, the range of 0.2 ≦ x ≦ 1.0, and the range of y is 0.06 when C is Y.
≦ y ≦ 0.3 range, C is In, Sn, or In, Y,
In the case of a combination of two or more kinds of Sn, the range is 0.02 ≦ y ≦ 0.3, 0 ≦ z ≦ 0.2, 0 ≦ z ′ ≦ 0.2, 0 ≦ z ″ ≦ 0.2, 0.9 ≦ α ≦ 1.
1 and δ are values determined to satisfy the charge neutral condition.
【0016】(3) 前記酸化物イオン混合伝導体磁器
組成物の組成式(式1)において、z'とz"がともにゼロ
である事を特徴とする前記(2)に記載の磁器組成物。(3) In the composition formula (formula 1) of the oxide-ion mixed conductor porcelain composition, both z'and z "are zero, and the porcelain composition according to (2) above. .
【0017】(4) 前記酸化物イオン混合伝導体磁器
組成物の組成式(式1)において、z、z'とz"のいずれ
もがゼロである事を特徴とする前記(2)に記載の磁器
組成物。(4) In the composition formula (Formula 1) of the oxide-ion mixed conductor porcelain composition, all of z, z ′ and z ″ are zero, and the above (2) is described. Porcelain composition.
【0018】(5) 多孔質支持体部と該多孔質支持体
部の上に形成された緻密質連続層を含む膜部から構成さ
れる複合材料であって、前記多孔質支持体部が気孔率が
20%以上80%以下の酸化物イオン混合伝導性多孔質酸化
物を有して成り、前記緻密質連続層が厚さ10μm以上1mm
以下の酸化物イオン混合伝導性酸化物であり、前記多孔
質支持体部、または前記緻密質連続層、あるいは前記多
孔質支持体部と前記緻密質連続層の両方に前記(1)〜
(4)のいずれか1つに記載の磁器組成物を含む事を特
徴とする複合材料。(5) A composite material comprising a porous support part and a membrane part including a dense continuous layer formed on the porous support part, wherein the porous support part has pores. Rate is
20% or more and 80% or less of oxide-ion mixed conductive porous oxide, and the dense continuous layer has a thickness of 10 μm or more and 1 mm.
The following oxide-ion mixed conductive oxides, wherein the porous support part, the dense continuous layer, or both the porous support part and the dense continuous layer (1) to
A composite material containing the porcelain composition according to any one of (4).
【0019】(6) 前記(1)〜(4)のいずれか1
つに記載の磁器組成物、及び/又は前記(5)記載の複
合材料を有する事を特徴とする酸素分離装置。(6) Any one of (1) to (4) above
And a composite material according to (5) above.
【0020】(7) 前記(1)〜(4)のいずれか1
つに記載の磁器組成物、及び/又は前記(5)記載の複
合材料を有する事を特徴とする化学反応装置。(7) Any one of (1) to (4) above
7. A chemical reaction device comprising the porcelain composition described in 5 above, and / or the composite material described in 5) above.
【0021】[0021]
【発明の実施の形態】本発明者は、BサイトにCoまたはF
eを含むペロブスカイト型酸化物イオン混合伝導体にお
いて、AサイトのBaの割合を多くした場合でもペロブス
カイト型構造が安定に保たれるような材料系の探索を行
った。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present inventor
In the perovskite-type oxide-ion mixed conductor containing e, we searched for a material system that keeps the perovskite-type structure stable even when the proportion of Ba at the A site is increased.
【0022】その結果、前述の通りBaが多くなればなる
ほどペロブスカイト型構造が相対的に不安定になる事を
確認すると共に、Srの濃度が高い組成範囲では問題なく
置換固溶してペロブスカイト安定化効果が得られたよう
な元素でも、Baの濃度が高い組成範囲では置換固溶でき
ずに析出してしまったり、ペロブスカイト安定化効果が
得られなかったりする問題が生じ得る事がわかった。そ
こで、ペロブスカイト型酸化物イオン混合伝導体材料と
しては従来あまり検討されてこなかったり、Srの濃度が
高い組成範囲では有効ではなかった元素を含む組成範囲
まで探索領域を広げ、鋭意検討を進めた。その結果、B
サイトにIn、Y、Snのいずれか、またはこれらの内の2
種以上を含む場合、Srの濃度が高い組成範囲ではペロブ
スカイトの安定化効果は得られないが、Baの濃度が高い
組成範囲では特異的にペロブスカイトの安定化効果が得
られる事を見出した。As a result, as described above, it was confirmed that the more the Ba content, the more unstable the perovskite structure was, and in the composition range where the Sr concentration was high, the solid solution was performed without substitution so as to stabilize the perovskite. It has been found that even an element for which an effect can be obtained may cause a problem in which the substitution solid solution cannot be carried out in the composition range where the concentration of Ba is high, and precipitation occurs, or the perovskite stabilizing effect cannot be obtained. Therefore, the search area was expanded to a composition range containing elements that have not been studied so far as a perovskite-type oxide-ion mixed conductor material, or were not effective in a composition range where the Sr concentration is high, and earnest studies were conducted. As a result, B
In, Y, or Sn on the site, or 2 of these
It has been found that when more than one species is contained, the stabilizing effect of perovskite cannot be obtained in the composition range where the Sr concentration is high, but the stabilizing effect of the perovskite is specifically obtained in the composition range where the Ba concentration is high.
【0023】Inを含む場合については、Baの濃度が高い
組成、例えばBa0.9Sr0.1Co0.9In0.1O3-δの結晶構造は
室温から1000℃の温度範囲内で立方晶ペロブスカイト型
であり、なおかつ酸素の透過速度も極めて高い事を見出
した。一方、Inと周期表の上で同じ属であるAlやGaで
は、Baの割合が多い組成範囲において、このような強力
なペロブスカイト型構造の安定化効果は得られなかっ
た。In the case of containing In, the composition having a high concentration of Ba, for example, the crystal structure of Ba 0.9 Sr 0.1 Co 0.9 In 0.1 O 3 -δ is a cubic perovskite type within the temperature range of room temperature to 1000 ° C., Moreover, it was found that the oxygen permeation rate was also extremely high. On the other hand, In and Al, which belong to the same genus as the periodic table, do not have such a strong stabilizing effect on the perovskite structure in the composition range in which the proportion of Ba is high.
【0024】一方、Yを含む場合については、これをBサ
イトに配置した組成であるBa0.9Sr0 .1Co0.9Y0.1O3-δや
BaCo0.9Y0.1O3-δの結晶構造は、室温から1000℃以上ま
での温度範囲で立方晶ペロブスカイト型が安定である事
を見出した。これらのペロブスカイト型酸化物について
更に詳細に調べたところ、同程度Baを含む他のペロブス
カイト酸化物、例えばBa0.9Sr0.1Co0.9In0.1O3-δと比
較して格子定数がさらに大きくなっている事を確認し
た。この結果は、Ba0.9Sr0.1Co0.9Y0.1O3-δなどにおい
てYが強いペロブスカイト安定化効果を示しているの
は、イオン半径がYより大きいBaやSrを置換してAサイト
に入っているのではなく、Yよりイオン半径の小さいCo
を置換してBサイトに入っているためである事を示して
いる。またY単独でこのペロブスカイト安定化効果を得
るためには、Yを6%以上置換する必要がある事も見出
した。On the other hand, the case containing Y are, Ba 0.9 Sr 0 .1 Co Ya 0.9 Y 0.1 O 3- δ is a composition which was placed in the B site
Regarding the crystal structure of BaCo 0.9 Y 0.1 O 3- δ, it was found that the cubic perovskite type is stable in the temperature range from room temperature to over 1000 ℃. A more detailed examination of these perovskite type oxides revealed that the lattice constant was even larger than that of other perovskite oxides containing Ba to the same extent, for example, Ba 0.9 Sr 0.1 Co 0.9 In 0.1 O 3 − δ. I confirmed the thing. This result shows that Y has a strong perovskite stabilizing effect in Ba 0.9 Sr 0.1 Co 0.9 Y 0.1 O 3 -δ, etc. Rather than Co, which has a smaller ionic radius than Y
It means that it is because it is in B site by replacing. It was also found that in order to obtain this perovskite stabilizing effect by Y alone, it is necessary to replace Y by 6% or more.
【0025】これに対し、例えばSrCo0.9Y0.1O3-δにお
いては異相が生成しており、Srの割合が多い組成ではY
をBサイトに配置してとしても、ペロブスカイト安定化
効果が不十分であった。またYと似た働きを示す場合が
多いランタノイド元素、例えばLaなどをBサイトに配置
したBa0.9Sr0.1Co0.9La0.1O3-δなどの結晶構造は、ペ
ロブスカイト型ではなかった。以上の結果より、Bサイ
トに固溶させたYは、Baの割合が多い組成範囲で特異的
に働くペロブスカイト安定化元素であるとの結論を得
た。On the other hand, for example, in SrCo 0.9 Y 0.1 O 3 -δ, a heterogeneous phase is formed, and in a composition containing a large proportion of Sr, Y
Even if B was placed at the B site, the perovskite stabilization effect was insufficient. In addition, the crystal structure of lanthanoid elements, such as Ba 0.9 Sr 0.1 Co 0.9 La 0.1 O 3- δ, in which La or the like is often present similar to Y, at the B site, was not perovskite type. From the above results, it was concluded that Y dissolved in the B site is a perovskite stabilizing element that acts specifically in the composition range in which the proportion of Ba is high.
【0026】また更なる探索の結果、Baの割合が多い組
成範囲において、BサイトにSnを含むものについても、
特異的にペロブスカイト型構造が安定化している事を見
出した。Further, as a result of further search, in the composition range in which the proportion of Ba is high, the one containing Sn at the B site is also
It was found that the perovskite structure is specifically stabilized.
【0027】以上の新知見をベースとし、それぞれの元
素でペロブスカイト安定化効果が得られる組成範囲を求
め、さらに他元素との共存性について鋭意検討を加え
て、本発明を完成させるに至った。Based on the above new findings, the composition range in which the perovskite stabilizing effect can be obtained for each element was obtained, and further, the coexistence with other elements was intensively studied to complete the present invention.
【0028】上記からも明らかなように、本発明のポイ
ントは、Baと、Co及び/又はFeを含むペロブスカイト型
構造の酸化物イオン混合伝導体において、BサイトにI
n、Sn、Yのいずれか、またはこれらの内の2種以上を含
む事により、高Ba含有組成域においてもペロブスカイト
型構造を安定に存在可能とする事である。この内、特に
Yについては、Bサイトに配置されている事が本発明の効
果を得る上で重要である。As is clear from the above, the point of the present invention is that in the oxide-ion mixed conductor having a perovskite type structure containing Ba and Co and / or Fe, I is present at the B site.
By containing any one of n, Sn and Y, or two or more of them, the perovskite structure can be stably present even in the high Ba content composition range. Of these, especially
It is important for Y to be placed at the B site in order to obtain the effects of the present invention.
【0029】本発明の提供する磁器組成物のより具体的
な組成は、下記の組成式
(BaxA1-x)α(B1-y-z-z'-z"CyDzEz'Fz")O(3-δ) ・・・(式1)
で表される。A more specific composition of the porcelain composition provided by the present invention is represented by the following composition formula (Ba x A 1-x ) α (B 1-yz-z'-z " C y D z E z ' F z " ) O (3- δ ) ... (Equation 1)
【0030】本発明の提供する磁器組成物はペロブスカ
イト型結晶構造を有しているが、このペロブスカイト型
構造のAサイトはBa以外に、Sr、Ca、ランタノイド元素
などから選ばれる一種または複数種の元素が含まれてい
ても良い。これらの元素は(式1)にAで表されてい
る。このようにBa以外の元素を共存させると、ペロブス
カイト型構造の安定性はより一層向上する。しかし上記
の記述から明らかなように、酸素透過速度のより高い混
合伝導体材料を得るためには、Baの割合が多い方がよ
い。ペロブスカイト型構造を安定に保つのに好ましいBa
の割合は、(式1)のCの元素がIn、Y、Snのどれである
かによって異なる。AサイトのBaの割合は(式1)にお
いてxで表されるが、CがInの場合には0.4≦x≦1.0、よ
り好ましくは0.6≦x≦1.0の範囲であり、Yの場合には0.
5≦x≦1.0、より好ましくは0.6≦x≦1.0の範囲であり、
Snの場合には0.2≦x≦1.0、より好ましくは0.5≦x≦1.0
の範囲であり、またIn、Y、Snの内の2種以上の組合せ
である場合には0.2≦x≦1.0、より好ましくは0.6≦x≦
1.0の範囲である。これらの範囲を外れてxが小さい、即
ちBaの割合が少ない場合には、ペロブスカイト型構造の
安定化が不十分で、BaNiO3型のような異相が生成してし
まう。The porcelain composition provided by the present invention has a perovskite type crystal structure. The A site of this perovskite type structure is not only Ba but also one or more kinds selected from Sr, Ca and lanthanoid elements. The element may be included. These elements are represented by A in (Equation 1). Thus, the coexistence of elements other than Ba further improves the stability of the perovskite structure. However, as is clear from the above description, in order to obtain a mixed conductor material having a higher oxygen transmission rate, it is better that the proportion of Ba is higher. Ba which is preferable for keeping the perovskite structure stable
The ratio of C depends on whether the C element in (Equation 1) is In, Y, or Sn. The ratio of Ba at the A site is represented by x in (Equation 1), and when C is In, 0.4 ≦ x ≦ 1.0, more preferably 0.6 ≦ x ≦ 1.0, and when Y, 0.
5 ≦ x ≦ 1.0, more preferably 0.6 ≦ x ≦ 1.0,
In the case of Sn, 0.2 ≦ x ≦ 1.0, more preferably 0.5 ≦ x ≦ 1.0
And in the case of a combination of two or more of In, Y and Sn, 0.2 ≦ x ≦ 1.0, more preferably 0.6 ≦ x ≦
It is in the range of 1.0. If x is small outside these ranges, that is, if the proportion of Ba is small, the stabilization of the perovskite structure is insufficient and a hetero phase such as BaNiO 3 type is generated.
【0031】ペロブスカイト型構造のBサイトはCoとFe
の少なくとも一方を含んでおり、この他にIn、Y、Snの
少なくとも一つを必ず含んでいる必要がある。先にも述
べたように、In、Y、Snは単体で用いても良いし、組み
合わせて用いても良い。BサイトのIn、Y、Snの割合は
(式1)においてyで表されるが、CがY単独の場合は0.0
6≦y≦0.3の範囲であり、InとSnのいずれか、またはI
n、Y、Snの内の2種以上の組合せの場合は0.02≦y≦0.
3、より好ましくは0.05≦y≦0.2の範囲である。In、Y、
Snの量を多くすると、ペロブスカイト型構造の安定性が
向上するが、この範囲を外れて量を多くすると、第二相
が生成したり酸素透過性能が低下するなどの問題を生じ
る。一方この範囲を外れて量を少なくすると、ペロブス
カイト型構造の安定化が不十分となる。B and B sites of the perovskite structure are Co and Fe.
At least one of In, Y, and Sn must be included. As described above, In, Y and Sn may be used alone or in combination. The ratio of In, Y, and Sn at the B site is represented by y in (Equation 1), but when C is Y alone, it is 0.0.
6 ≦ y ≦ 0.3, either In or Sn, or I
0.02 ≦ y ≦ 0 in the case of a combination of two or more of n, Y and Sn.
3, more preferably 0.05 ≦ y ≦ 0.2. In, Y,
When the amount of Sn is increased, the stability of the perovskite structure is improved, but when the amount is out of this range, the problems such as generation of the second phase and deterioration of oxygen permeation performance occur. On the other hand, if the amount is out of this range and the amount is reduced, the stabilization of the perovskite structure becomes insufficient.
【0032】本発明の提供する混合伝導体材料は、この
他にNb、Ta、Ti、Zr、Cu、Ni、Zn、Li、Mg、Cr、Ga、Al
などを含んでも良い。これらの元素はいずれもペロブス
カイト型構造のBサイトを置換するものであるが、酸素
透過速度あるいはペロブスカイト型構造の安定性の観点
から、それぞれの元素について好ましい置換範囲があ
る。(式1)においてDはNb、Ta、Ti、Zrのいずれか、
またはこれらの内の2種以上の組合せ、EはCu、Ni、Z
n、Li、Mgのいずれか、またはこれらの内の2種以上の
組合せ、FはCr、Ga、Alのいずれか、あるいはこれらの
内の2種以上の組合せであり、0≦z≦0.2、0≦z'≦0.
2、0≦z"≦0.2の範囲が好ましい。これらの範囲を外れ
て元素置換量を増やすと、異相が生成してしまったり、
酸素透過速度が大きく低下するなどの問題が生じる。ま
たこの他に、より高い酸素透過速度を得るためには、Co
やFeの含有量を示す1-y-z-z'-z"≧0.7であることが好ま
しい。The mixed conductor materials provided by the present invention include Nb, Ta, Ti, Zr, Cu, Ni, Zn, Li, Mg, Cr, Ga and Al.
May be included. Each of these elements substitutes the B site of the perovskite structure, but from the viewpoint of the oxygen permeation rate or the stability of the perovskite structure, there is a preferable substitution range for each element. In (Equation 1), D is Nb, Ta, Ti, or Zr,
Or a combination of two or more of these, E is Cu, Ni, Z
n, Li, Mg, or a combination of two or more of these, F is any of Cr, Ga, Al, or a combination of two or more of these, and 0 ≦ z ≦ 0.2, 0 ≦ z '≦ 0.
2, 0 ≦ z ″ ≦ 0.2 is preferable. If the amount of element substitution is increased outside these ranges, a different phase may be formed,
Problems such as a significant decrease in oxygen transmission rate occur. In addition to this, in order to obtain a higher oxygen transmission rate, Co
It is preferable that 1-yz-z'-z "≧ 0.7, which indicates the content of Fe or Fe.
【0033】AサイトとBサイトの比率αは0.9≦α≦1.
1、より好ましくは0.98≦α≦1.02の範囲内であり、こ
の比率を1からずらす事によって材料の焼結性をある程
度制御することができる。しかしAサイトとBサイトの比
率がこの範囲を外れると、第二相が生成して好ましくな
い。特にYを含む場合に、αの値が0.9より小さくなると
異相を生成する傾向が強くなる。The ratio α between A site and B site is 0.9 ≦ α ≦ 1.
1, more preferably within the range of 0.98 ≦ α ≦ 1.02, and by shifting this ratio from 1, the sinterability of the material can be controlled to some extent. However, if the ratio of A site and B site is out of this range, the second phase is generated, which is not preferable. In particular, when Y is included, when the value of α becomes smaller than 0.9, the tendency to form a different phase becomes strong.
【0034】この酸化物イオン混合伝導体は多少の不純
物を含んでも、特性に大きな劣化は見られない。ただし
その許容量は元素のモル比にして全体の5%以下、望ま
しくは2%以下の程度である。この範囲を外れて不純物
を含むと、異相を生成したり酸素透過速度が低下するな
どの問題が生じる。一方、本発明の酸化物イオン混合伝
導体は、酸素透過能に影響を与えない程度に第2相と複
合化する事が可能である。例えばAgやAg-Pd、Ptなどの
金属と2〜20質量%程度複合化すれば、焼結性を向上し
たり、材料強度を向上させる事ができる。The oxide-ion mixed conductor does not show significant deterioration in characteristics even if it contains some impurities. However, the permissible amount is 5% or less, preferably 2% or less of the total molar ratio of elements. If impurities are contained outside this range, problems such as generation of a different phase and reduction of oxygen permeation rate occur. On the other hand, the oxide-ion mixed conductor of the present invention can be compounded with the second phase to the extent that it does not affect the oxygen permeability. For example, by compounding with a metal such as Ag, Ag-Pd, or Pt in an amount of about 2 to 20% by mass, sinterability and material strength can be improved.
【0035】本発明の提供する磁器組成物は酸素分離
用、あるいは化学反応装置用の複合材料において、多孔
質支持体、緻密質連続層、あるいは膜表面での酸素交換
反応を促進するための触媒としても用いる事ができる。
多孔質支持体としてこの材料を用いた場合、装置を構成
する金属部材などとの熱膨張のマッチングが比較的取り
やすく、また緻密質連続層の表面での気相と酸化物イオ
ン混合伝導体の間の酸素の交換反応を促進する効果も得
られる。一方、この材料を緻密質連続層として用いた場
合には、特に酸素透過速度が高い複合材料を製造可能と
なる。The porcelain composition provided by the present invention is a catalyst for promoting oxygen exchange reaction on a porous support, a dense continuous layer, or a membrane surface in a composite material for oxygen separation or for a chemical reaction device. Can also be used as
When this material is used as the porous support, it is relatively easy to match the thermal expansion with the metal member constituting the device, and the gas phase and the oxide ion mixed conductor on the surface of the dense continuous layer The effect of promoting the oxygen exchange reaction between the two is also obtained. On the other hand, when this material is used as a dense continuous layer, a composite material having a particularly high oxygen transmission rate can be manufactured.
【0036】本発明の提供する複合材料において、多孔
質支持体の気孔率は20%以上80%以下の範囲である必要
がある。気孔率がこの範囲を外れると、酸素透過におい
て大きな通気抵抗となってしまったり、あるいは支持体
の機械的特性が大きく損なわれたりする問題を生じる。
多孔質支持体の厚さの好ましい範囲は装置の構成や運転
条件によって異なるが、典型的には500μm以上10mm以下
の範囲である。多孔質支持体の厚さがこの範囲を外れて
厚くなると、酸素透過において通気抵抗が大きくなる問
題を生じる。またこの範囲を外れて薄くなると、支持体
の機械的特性が不十分になる問題を生じる。一方、緻密
質連続層は、厚さ10μm以上1mm以下の範囲が適正であ
る。連続相の厚みがこの範囲を外れると、リークガスの
量が増えてしまったり、あるいは酸素透過速度が低下し
たりする問題を生じる。In the composite material provided by the present invention, the porosity of the porous support should be in the range of 20% to 80%. When the porosity is out of this range, there arises a problem that the ventilation resistance becomes large in oxygen permeation or the mechanical properties of the support are largely impaired.
The preferred range of the thickness of the porous support varies depending on the configuration of the device and the operating conditions, but is typically 500 μm or more and 10 mm or less. When the thickness of the porous support is out of this range, there is a problem that ventilation resistance increases in oxygen permeation. When the thickness is out of this range, the mechanical properties of the support become insufficient. On the other hand, the dense continuous layer preferably has a thickness of 10 μm or more and 1 mm or less. If the thickness of the continuous phase deviates from this range, the amount of leak gas increases or the oxygen permeation rate decreases.
【0037】本発明による多孔質支持体の製造は、セラ
ミックス多孔体を製造するために通常用いられる方法が
使用可能である。その方法の一つとして、必要な元素を
含む酸化物を原料とし、これを焼成する方法がある。ま
た原料として、酸化物の他に塩類、例えば炭酸塩、硝酸
塩、硫酸塩などの無機酸塩、酢酸塩、シュウ酸塩などの
有機酸塩、塩化物、臭化物、ヨウ化物などのハロゲン化
物、あるいは水酸化物、オキシハロゲン化物を用い、こ
れらを所定の割合で混合して、焼成する方法がある。ま
た上記塩類の内で、水に可溶なものを所定の割合で水に
溶解して蒸発乾燥する方法、あるいはフリーズドライ法
やスプレードライ法によって乾燥した後、焼成する方
法、水に可溶な塩類を水に溶解した後、アンモニア水な
どのアルカリ性溶液を添加して、水酸化物の沈殿とし焼
成する共沈法、あるいは原料に金属アルコキシドを用
い、これを加水分解してゲルを得て、焼成するゾルゲル
法なども適用可能である。For the production of the porous support according to the present invention, a method usually used for producing a ceramic porous body can be used. As one of the methods, there is a method of firing an oxide containing a necessary element as a raw material. As the raw material, in addition to oxides, salts, for example, inorganic acid salts such as carbonates, nitrates and sulfates, organic acid salts such as acetates and oxalates, halides such as chlorides, bromides and iodides, or There is a method in which a hydroxide and an oxyhalide are used, and these are mixed at a predetermined ratio and fired. Further, among the above-mentioned salts, a water-soluble one is dissolved in water at a predetermined ratio and evaporated to dry, or a method in which it is dried by a freeze-drying method or a spray-drying method and then baked, a water-soluble After dissolving the salts in water, an alkaline solution such as ammonia water is added, and a coprecipitation method in which a hydroxide is precipitated to be fired, or a metal alkoxide is used as a raw material, and a gel is obtained by hydrolyzing this. A sol-gel method of firing is also applicable.
【0038】多孔質支持体の焼成は、仮焼と、本焼成
(焼結)の2段階で行うのが一般的である。仮焼は400
〜1000℃の温度範囲で、数時間から十数時間程度行い、
仮焼粉を製造するのが通常である。この仮焼粉をそのま
ま成形して本焼成を行っても良いし、仮焼粉にポリビニ
ルアルコール(PVA)などの樹脂を混合して成形、本焼
成しても良い。本焼成の温度は組成などによって異なる
が、通常700〜1400℃、好ましくは1000〜1350℃の範囲
である。本焼成の時間は組成と焼成温度によって異なる
が、通常、数時間以上を要する。本焼成の雰囲気は、一
般には大気中で十分であるが、必要に応じて制御雰囲気
下で焼成しても良い。また多孔質支持体の成形の手段と
しては、通常のバルクセラミックスの製造と同様に仮焼
粉や混合粉をダイスに詰めて、加圧、成型してもよい
し、泥漿鋳込み法や、押し出し成型法などを用いても良
い。Firing of the porous support is generally carried out in two stages of calcination and main firing (sintering). Calcination is 400
In the temperature range of ~ 1000 ℃, do it for several hours to more than 10 hours,
It is usual to produce a calcined powder. This calcined powder may be molded as it is for main firing, or a resin such as polyvinyl alcohol (PVA) may be mixed with the calcined powder for shaping and main firing. The temperature of the main calcination varies depending on the composition and the like, but is usually 700 to 1400 ° C, preferably 1000 to 1350 ° C. The time for the main calcination depends on the composition and the calcination temperature, but it usually takes several hours or longer. The atmosphere for the main calcination is generally sufficient in the air, but the calcination may be carried out under a controlled atmosphere if necessary. As a means for molding the porous support, the calcined powder or mixed powder may be packed in a die and pressed and molded in the same manner as in the production of ordinary bulk ceramics, or it may be a slurry casting method or extrusion molding. You may use the method etc.
【0039】一方、緻密質連続膜は、セラミックス膜を
製造するために通常用いられる方法により作製できる。
真空蒸着法などのPVDや CVDといった、いわゆる薄膜形
成手法によって成膜しても良いが、より簡便で経済的に
は、多孔質支持体の上にスラリー状にした原料粉や仮焼
粉を塗布し、焼成する方法が好ましい。On the other hand, the dense continuous film can be produced by a method usually used for producing a ceramic film.
The film may be formed by a so-called thin film forming method such as PVD or CVD such as vacuum deposition method, but it is simpler and more economical to apply slurry-like raw material powder or calcined powder on the porous support. The firing method is preferred.
【0040】緻密質連続膜の焼成温度は、膜がガスリー
クを起こさないように緻密化すると共に、この焼成過程
で多孔質支持体の気孔率が大きく低下することのない条
件を選択する必要がある。通常の焼成温度は700〜1400
℃、好ましくは1000〜1350℃の範囲である。また焼成時
間には、通常で数時間を要する。この緻密質連続膜の焼
成は、多孔質支持体の本焼成の後に別々に行っても良い
し、支持体の本焼成と同時に行っても良い。緻密質連続
膜の密度は、ガスリークを起こさないために好ましくは
85%以上、より好ましくは93%以上の範囲である。The firing temperature of the dense continuous film must be selected such that the film is densified so that gas leakage does not occur and the porosity of the porous support is not significantly reduced during this firing process. . Normal firing temperature is 700-1400
C., preferably in the range of 1000 to 1350.degree. The firing time usually takes several hours. The firing of the dense continuous film may be performed separately after the main firing of the porous support, or may be performed simultaneously with the main firing of the support. The density of the dense continuous film is preferably set so that gas leakage does not occur.
It is 85% or more, and more preferably 93% or more.
【0041】上記のプロセスで形成した複合材料によっ
て、酸素を含有する混合気体から酸素の選択的透過・分
離を行うためには、複合材料の両面の酸素ポテンシャル
が異なるようにすればよい。例えば大気から酸素を分離
するためには、原料大気側を加圧するか、酸素の取り出
し側を減圧してやればよい。例えば原料大気側を10〜30
気圧に加圧し、透過酸素側を1気圧として酸素を製造す
る事ができる。また原料大気側を1気圧〜30気圧とし、
透過酸素側をポンプで0.05気圧程度に減圧しても良い。
また酸素富化空気を製造するためには原料大気側を10〜
30気圧に加圧し、反対側に1気圧の大気を供給すればよ
い。この酸素分離の操業温度は、500〜1000℃、好まし
くは650〜950℃の範囲である。In order to selectively permeate and separate oxygen from a mixed gas containing oxygen by the composite material formed by the above process, the oxygen potentials on both surfaces of the composite material may be made different. For example, in order to separate oxygen from the atmosphere, the raw material atmosphere side may be pressurized or the oxygen extraction side may be depressurized. For example, the raw material atmosphere side is 10-30
Oxygen can be produced by pressurizing to atmospheric pressure and setting the permeated oxygen side to 1 atm. In addition, the atmospheric pressure of the raw material is 1 atm to 30 atm,
The permeated oxygen side may be depressurized to about 0.05 atm by a pump.
Moreover, in order to produce oxygen-enriched air,
The pressure may be increased to 30 atm and the atmospheric pressure of 1 atm may be supplied to the opposite side. The operating temperature for this oxygen separation is in the range of 500 to 1000 ° C, preferably 650 to 950 ° C.
【0042】このように、本発明の複合材料及び磁器組
成物は、純酸素、あるいは酸素富化空気の製造装置など
に応用できる。またさらに、酸素分離以外の用途、特に
酸化反応が関与する化学反応装置にも利用できる。例え
ば、メタンより一酸化炭素と水素からなる合成ガスを製
造するメタンの部分酸化反応の反応装置に利用できる。
従来は、メタンと酸素の混合ガスを出発原料として触媒
反応によって合成ガスを得る反応装置が用いられてき
た。As described above, the composite material and the porcelain composition of the present invention can be applied to a device for producing pure oxygen or oxygen-enriched air. Furthermore, it can be used for applications other than oxygen separation, especially for a chemical reaction device involving an oxidation reaction. For example, it can be used for a reactor for a partial oxidation reaction of methane, which produces a synthesis gas composed of carbon monoxide and hydrogen from methane.
Conventionally, a reaction apparatus has been used in which a mixed gas of methane and oxygen is used as a starting material to obtain a synthesis gas by a catalytic reaction.
【0043】これに対して、本発明の酸化物イオン混合
伝導性セラミックスを用いる反応装置では、例えば、空
気(ないし酸素を含む混合ガス)とメタンを酸化物イオ
ン混合伝導体で隔てて別々に流し、メタンを流している
側の酸化物イオン混合伝導体の表面にRhなどの合成ガス
製造用触媒を塗布・配置する。セラミックスを500〜100
0℃程度の温度範囲に加熱することで、酸素のみが酸素
分離と同様の原理で透過し、続いてメタン側のセラミッ
クス表面でメタンと反応して合成ガスを生成する。On the other hand, in the reactor using the mixed oxide-ion conductive ceramics of the present invention, for example, air (or a mixed gas containing oxygen) and methane are separated and separated by the mixed oxide-ion conductor to flow separately. , The surface of the mixed oxide-ion conductor on the side where methane is flowing is coated and placed with a catalyst for producing synthesis gas such as Rh. Ceramics 500-100
By heating to a temperature range of about 0 ° C., only oxygen permeates according to the same principle as oxygen separation, and then reacts with methane on the methane side ceramic surface to generate synthesis gas.
【0044】従って、本発明による方法では、従来の方
法の様に酸素を前もって製造する必要が無い、原料ガス
が混入しないので効率良く合成ガスが得られる、連続し
て反応が起こり製造装置が単純になるなどの大きな効果
が得られる。またメタンの部分酸化以外にも、オレフィ
ン形成のための炭化水素の部分酸化、エタンの部分酸
化、芳香族化合物の置換など、酸化反応が関与するあら
ゆる化学反応装置に利用できる。Therefore, in the method according to the present invention, unlike the conventional method, it is not necessary to produce oxygen in advance, the raw material gas is not mixed, and the synthesis gas can be efficiently obtained. It is possible to obtain a great effect such as. Further, in addition to partial oxidation of methane, it can be used for any chemical reaction device involving an oxidation reaction, such as partial oxidation of hydrocarbons for forming olefins, partial oxidation of ethane, and substitution of aromatic compounds.
【0045】[0045]
【実施例】以下に本発明の実施例を説明するが、これは
あくまで例示の目的のためのものであり、本発明の請求
範囲は、この内容に限定されるものではない。EXAMPLES Examples of the present invention will be described below, but these are for the purpose of illustration only, and the scope of the present invention is not limited to these contents.
【0046】本実施例では、緻密質の焼結体試料を作成
し、結晶構造及び酸素透過速度を評価した。試料の原料
としてはCaCO3, SrCO3, BaCO3, La2O3,Fe2O3, Co3O4, I
n2O3, Y2O3, SnO2,Nb2O5, Ta2O5, TiO2, ZrO2, CuO, Ni
O, ZnO, Li2CO3, MgO, Cr2O3, Ga2O3, Al2O3を用い、そ
れぞれ所要量を秤量した後、イソプロピルアルコールを
分散媒として、ジルコニアボールと共に24時間ボールミ
ル混合を行った。得られたスラリーを乾燥、解砕し、Mg
O製の角さやに詰め、大気中で850℃で12時間仮焼を行っ
た。得られた仮焼粉を粉砕し、12mmφのダイスに詰めて
錠剤状に一軸成形し、さらに氷嚢に詰めて、CIP成形を
行った。得られた成形体をMgO製の角さや内で、1000℃
〜1300℃の範囲の焼結温度にて5時間焼成を行い、約10m
mφの焼結体を得た。In this example, a dense sintered body sample was prepared, and the crystal structure and oxygen permeation rate were evaluated. The raw materials of the sample are CaCO 3 , SrCO 3 , BaCO 3 , La 2 O 3 , Fe 2 O 3 , Co 3 O 4 , I
n 2 O 3 , Y 2 O 3 , SnO 2 , Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , TiO 2 , ZrO 2 , CuO, Ni
O, ZnO, Li 2 CO 3 , MgO, Cr 2 O 3 , Ga 2 O 3 , Al 2 O 3 were weighed in the required amounts, and then isopropyl alcohol was used as the dispersion medium and zirconia balls were mixed for 24 hours with a ball mill. I went. The obtained slurry is dried, crushed, and Mg
It was packed in a square pod made of O and calcined in the air at 850 ° C for 12 hours. The obtained calcined powder was crushed, packed into a 12 mmφ die, uniaxially molded into a tablet, further packed into an ice bag, and CIP molded. 1000 ° C in the MgO square sheath.
Approximately 10m after firing for 5 hours at a sintering temperature in the range of ~ 1300 ℃
A sintered body of mφ was obtained.
【0047】この焼結体を厚さ1mmまで研磨し、Al2O3管
の先端に接着して、外側は空気にさらし、内側を減圧し
た。減圧側の酸素分圧を測定し、焼結体を通じての酸素
透過がない場合の分圧値との差を元に、酸素透過速度を
求めた。試料温度は850℃とした。酸素透過速度は、酸
化物イオン混合伝導体の単位表面積当たり、一分間当た
りの透過酸素の、標準状態での体積で表示してあり、単
位はml/cm2・minである。焼結体試料を通した場合のガ
スリークの有無は、外側を空気とヘリウムの混合ガスに
変え、ヘリウムリークディテクターを用いて調べた。そ
の結果、本発明の範囲内にある試料に、ガスリークは認
められなかった。This sintered body was ground to a thickness of 1 mm, adhered to the tip of an Al 2 O 3 tube, exposed to the air on the outside and depressurized on the inside. The oxygen partial pressure on the reduced pressure side was measured, and the oxygen permeation rate was obtained based on the difference from the partial pressure value when oxygen did not permeate through the sintered body. The sample temperature was 850 ° C. The oxygen permeation rate is represented by the volume of permeated oxygen per unit surface area of the mixed oxide ion conductor per minute in a standard state, and the unit is ml / cm 2 · min. The presence or absence of gas leak when passing through the sintered body sample was examined using a helium leak detector with the outside gas changed to a mixed gas of air and helium. As a result, no gas leak was observed in the samples within the scope of the present invention.
【0048】焼結体試料の組成、室温での粉末X線回折
法による構成相の同定結果、及び酸素透過速度の測定値
を表1に示す。Table 1 shows the composition of the sintered body sample, the identification result of the constituent phase by the powder X-ray diffraction method at room temperature, and the measured value of the oxygen permeation rate.
【0049】[0049]
【表1】 [Table 1]
【0050】ここで、試料の組成は、下記の組成式
(BaxA1-x)α(B1-y-z-z'-z"CyDzEz'Fz")O(3-δ) ・・・(式1)
に従い、構成元素と組成比で表した。構成相の欄で、○
は立方晶ペロブスカイト相単相であったことを、×はBa
NiO3型六方晶などの異相を含んでいたことを示す。この
表より、本発明の範囲内の材料は室温でも安定な立方晶
ペロブスカイト型構造であり、なおかつ酸素の透過速度
が高い事が確認できる。[0050] Here, the composition of the samples, the following composition formula (Ba x A 1-x) α (B 1-yz-z'-z "C y D z E z 'F z") O (3- δ ) ... (Equation 1) and expressed by constituent elements and composition ratios. In the column of constituent phase, ○
Was a cubic perovskite phase single phase, x is Ba
It indicates that it contained a hetero phase such as NiO 3 type hexagonal crystal. From this table, it can be confirmed that the materials within the scope of the present invention have a cubic perovskite structure that is stable even at room temperature and have a high oxygen permeation rate.
【0051】[0051]
【発明の効果】本発明によれば、ペロブスカイト型の酸
化物イオン混合伝導体において、AサイトのBaの割合が
高く、なおかつ立方晶ペロブスカイト型の相が十分安定
で、高い酸素透過速度を示す磁器組成物を実現する事が
できる。更に、酸化物イオン混合伝導体による酸素の選
択透過・分離プロセス、あるいは炭化水素の部分酸化用
隔膜リアクターなどの技術分野にこの磁器組成物を応用
し、優れた酸素透過特性を発揮させることが可能であ
る。この磁器組成物は、酸素分離装置などに用いる複合
材料の緻密質連続層としても、多孔質支持体としても、
また触媒としても好適である。これら本発明の提供する
技術は、空気からの酸素分離装置、あるいは隔膜リアク
ターの、高性能化と低コスト化に資するところ大であ
る。According to the present invention, in a perovskite-type oxide-ion mixed conductor, the proportion of Ba at the A site is high, the cubic perovskite-type phase is sufficiently stable, and a porcelain exhibiting a high oxygen transmission rate is obtained. The composition can be realized. Furthermore, it is possible to apply this porcelain composition to the technical fields such as selective permeation / separation process of oxygen by oxide-ion mixed conductor, or diaphragm reactor for partial oxidation of hydrocarbon, and to exert excellent oxygen permeation characteristics. Is. This porcelain composition can be used as a dense continuous layer of a composite material used in an oxygen separator or the like, or as a porous support,
It is also suitable as a catalyst. These technologies provided by the present invention greatly contribute to higher performance and lower cost of an oxygen separation device from air or a diaphragm reactor.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) C01G 51/00 C01B 3/38 4G075 // C01B 3/38 C04B 35/00 H (72)発明者 伊藤 渉 富津市新富20−1 新日本製鐵株式会社技 術開発本部内 (72)発明者 佐近 正 富津市新富20−1 新日本製鐵株式会社技 術開発本部内 Fターム(参考) 4D006 GA41 KA12 MA24 MA31 MB07 MC03 NA31 NA46 PA04 PB17 PB62 PC69 PC71 4G030 AA02 AA07 AA08 AA09 AA10 AA11 AA12 AA16 AA17 AA20 AA21 AA22 AA27 AA28 AA29 AA31 AA32 AA34 AA36 AA39 BA32 CA01 CA08 4G040 EA03 EA07 EB01 4G042 BA30 BA35 BB02 BC05 4G048 AA05 AC08 AD02 AD08 4G075 AA05 BA01 BD14 CA54 EC30 FB04 FC02 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) C01G 51/00 C01B 3/38 4G075 // C01B 3/38 C04B 35/00 H (72) Inventor Wataru Ito 20-1 Shintomi, Futtsu City Inside the Technology Development Headquarters, Nippon Steel Corporation (72) Inventor Tadashi Saki 20-1 Shintomi, Futtsu City Inside the Technology Development Headquarters, Nippon Steel Co., Ltd. F-term (reference) 4D006 GA41 KA12 MA24 MA31 MB07 MC03 NA31 NA46 PA04 PB17 PB62 PC69 PC71 4G030 AA02 AA07 AA08 AA09 AA10 AA11 AA12 AA16 AA17 AA20 AA21 AA22 AA27 AA28 AA29 AA31 AA32 AA34 AA36 AA39 BA32 CA01 CA08 4G040 EA03 EA07 EB01 4G042 BA30 BA35 BB02 BC05 4G048 AA05 AC08 AD02 AD08 4G075 AA05 BA01 BD14 CA54 EC30 FB04 FC02
Claims (9)
する酸化物イオン混合伝導体の磁器組成物であって、 少なくとも、(1)Ba、(2)Co、及び/又はFe、
(3)In、及び/又はSn、及び/又はY、の(1)〜
(3)の元素を同時に含み、且つ(3)の元素がペロブ
スカイト型構造のBサイトに配置されていることを特徴
とする磁器組成物。1. A porcelain composition of an oxide-ion mixed conductor having a substantially perovskite crystal structure, which comprises at least (1) Ba, (2) Co, and / or Fe,
(3) In and / or Sn, and / or Y (1) to
A porcelain composition comprising the element (3) at the same time, and the element (3) being arranged at the B site of the perovskite structure.
されていることを特徴とする請求項1に記載の磁器組成
物。 (BaxA1-x)α(B1-y-z-z'-z"CyDzEz'Fz")O(3-δ) ・・・(式1) 但し、AはSr、Ca、ランタノイド元素のいずれか1種、
またはこれらの内の2種以上を含んでなる組合せ、 BはCo、及び/又はFeを含んでなる組合せ、 CはIn、Y、Snのいずれか、またこれらの内の2種以上の
組合せ、 DはNb、Ta、Ti、Zrのいずれか、またはこれらの内の2
種以上の組合せ、 EはCu、Ni、Zn、Li、Mgのいずれか、またはこれらの内
の2種以上の組合せ、 FはCr、Ga、Alのいずれか、あるいはこれらの内の2種
以上の組合せ、 xの範囲は、CがInの場合には0.4≦x≦1.0の範囲、CがY
の場合には0.5≦x≦1.0の範囲、CがSnの場合には0.2≦x
≦1.0の範囲、CがIn、Y、Snの内の2種以上の組合せで
ある場合には0.2≦x≦1.0の範囲、 yの範囲は、CがYの場合は0.06≦y≦0.3の範囲、CがIn、
Snのいずれか、またはIn、Y、Snの内の2種以上の組合
せの場合は0.02≦y≦0.3の範囲、 0≦z≦0.2、 0≦z'≦0.2、 0≦z"≦0.2、 0.9≦α≦1.1、 δは電荷中性条件を満たすように決まる値である。2. The porcelain composition according to claim 1, which has a composition represented by the following composition formula (Formula 1). (Ba x A 1-x) α (B 1-yz-z'-z "C y D z E z 'F z") O (3- δ) ··· ( Equation 1) where, A is Sr, Any one of Ca and lanthanoid elements,
Or a combination containing two or more of these, B is a combination containing Co and / or Fe, C is any one of In, Y and Sn, and a combination of two or more thereof. D is Nb, Ta, Ti, or Zr, or 2 of these
Combination of two or more kinds, E is any one of Cu, Ni, Zn, Li, Mg, or a combination of two or more of these, F is any one of Cr, Ga, Al, or two or more of these , The range of x is 0.4 ≦ x ≦ 1.0 when C is In, and C is Y
In the range 0.5 ≤ x ≤ 1.0, and when C is Sn 0.2 ≤ x
≦ 1.0 range, 0.2 ≦ x ≦ 1.0 when C is a combination of two or more of In, Y and Sn, y range is 0.06 ≦ y ≦ 0.3 when C is Y Range, C is In,
In the case of any one of Sn or a combination of two or more of In, Y and Sn, the range is 0.02 ≦ y ≦ 0.3, 0 ≦ z ≦ 0.2, 0 ≦ z ′ ≦ 0.2, 0 ≦ z ″ ≦ 0.2, 0.9 ≦ α ≦ 1.1 and δ are values determined so as to satisfy the charge neutral condition.
ともに0であることを特徴とする請求項2に記載の磁器
組成物。3. The porcelain composition according to claim 2, wherein both z ′ and z ″ in the composition formula (formula 1) are 0.
びz"のいずれもが0であることを特徴とする請求項2に
記載の磁器組成物。4. The porcelain composition according to claim 2, wherein in the composition formula (Formula 1), all of z 1, z ′ and z ″ are 0.
に形成された緻密質連続層を含む膜部から構成される複
合材料であって、前記多孔質支持体部は気孔率が20%以
上80%以下の酸化物イオン混合伝導性多孔質酸化物を有
して成り、前記緻密質連続層が厚さ10μm以上1mm以下の
酸化物イオン混合伝導性酸化物であり、前記多孔質支持
体部、または前記緻密質連続層、あるいは前記多孔質支
持体部と前記緻密質連続層の双方に請求項1〜4のいず
れか1項に記載の磁器組成物を含むことを特徴とする複
合材料。5. A composite material comprising a porous support part and a membrane part including a dense continuous layer formed on the porous support part, wherein the porous support part has a porosity. Has a mixed oxide-ion conductive porous oxide of 20% or more and 80% or less, and the dense continuous layer is a mixed oxide-ion conductive oxide having a thickness of 10 μm or more and 1 mm or less, 5. A porous support part, or the dense continuous layer, or both the porous support part and the dense continuous layer, containing the porcelain composition according to any one of claims 1 to 4. Composite material to do.
的に透過させ分離する酸素分離装置であって、 請求項1〜4のいずれか1項に記載の磁器組成物又は請
求項5に記載の複合材料を有することを特徴とする酸素
分離装置。6. An oxygen separation device for selectively permeating and separating oxygen from a mixed gas containing oxygen, wherein the porcelain composition according to any one of claims 1 to 4 or claim 5. An oxygen separation device comprising the composite material of.
的に透過させ分離する酸素分離装置であって、 請求項1〜4のいずれか1項に記載の磁器組成物及び請
求項5に記載の複合材料を有することを特徴とする酸素
分離装置。7. An oxygen separator for selectively permeating and separating oxygen from a mixed gas containing oxygen, wherein the porcelain composition according to any one of claims 1 to 4 and claim 5. An oxygen separation device comprising the composite material of.
反応装置であって、 請求項1〜4のいずれか1項に記載の磁器組成物又は請
求項5記載の複合材料を有することを特徴とする化学反
応装置。8. A chemical reaction device for performing a chemical reaction involving an oxidation reaction, comprising the porcelain composition according to any one of claims 1 to 4 or the composite material according to claim 5. And a chemical reactor.
反応装置であって、 請求項1〜4のいずれか1項に記載の磁器組成物及び請
求項5記載の複合材料を有することを特徴とする化学反
応装置。9. A chemical reaction device for performing a chemical reaction involving an oxidation reaction, comprising the porcelain composition according to any one of claims 1 to 4 and the composite material according to claim 5. And a chemical reactor.
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