氯掺杂Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ透氧性能及其用于低碳烷烃转化

　　文档类型：学术论文
　　适配人群：材料科学、催化化学、能源化工领域的研究人员、研究生及透氧膜反应器技术开发工程师。
　　解决的实际问题：针对钙钛矿型透氧膜材料在选择性氧化反应中催化活性不足的瓶颈，提供氯掺杂改性策略的实验依据与性能数据，指导高效低碳烷烃转化催化剂的设计与优化。

　　氯掺杂可显著提升Ba₀.₅Sr₀.₅Co₀.₈Fe₀.₂O₃₋δ（BSCF）透氧膜材料在甲烷氧化偶联与乙烷氧化脱氢反应中的催化性能。研究首先在固定床反应器中以笑气（N₂O）为氧源测试氯掺杂BSCF（记为BSCFCl₀.₀₄）的甲烷氧化偶联活性。850°C时，C₂（乙烷+乙烯）收率达到最大值30.7%，对应CH₄/N₂O进料摩尔比0.4，甲烷转化率66.8%，C₂选择性46%，产物中C₂H₄/CH₄摩尔比为2.6。稳定性测试表明，BSCFCl₀.₀₄的催化活性未出现衰减，具备良好的长期稳定性。

　　对比实验进一步揭示了氯掺杂与氧源替换的协同效应。无论使用氧气还是笑气作为氧源，氯掺杂均能提高甲烷转化率与C₂选择性。值得注意的是，当用笑气替代氧气时，氯掺杂对催化性能的改进幅度更为明显。这一结果证实氯掺杂有效优化了催化剂表面氧物种的活性。

　　在透氧膜反应器中，氯掺杂同样改善了甲烷转化率与C₂选择性，但C₂收率的提升幅度不及固定床结合笑气氧源的效果。然而，一个关键发现是：氯掺杂后最大C₂收率对应的温度从850°C下降至800°C。原因在于氯掺杂增强了催化剂表面氧物种的活性，使甲烷在较低温度下即可被有效活化。

　　针对乙烷氧化脱氢反应，氯掺杂的效果更为突出。BSCFCl₀.₀₄上最大乙烯选择性达到90%，比未掺杂BSCF高出约12%；同时乙烷转化率也显著高于BSCF。这一改善一方面源于氯掺杂对表面氧物种活性的提升，另一方面得益于氯掺杂增加了BSCF在低温下的透氧量。775°C时，BSCFCl₀.₀₄获得最大乙烯收率约53%，而相同条件下BSCF仅约41%。

　　综合来看，氯掺杂是提升钙钛矿型透氧膜材料在低碳烷烃转化中催化性能的有效手段，尤其适用于甲烷氧化偶联与乙烷氧化脱氢反应。该研究为开发低温高效、稳定性优异的透氧膜催化剂提供了重要参考。