CLIMIT-Forskning, utvikling og demo av CO2-håndtering

Prosjektet MOC-OTM fokuserer på utvikling av nye komposittmaterialer for oksygen-separasjonsmembraner som kan brukes ved relativt lave temperaturer (< 600 °C). Disse nye membranene kan implementeres i karbonfangst-relaterte teknologier (CCS), som f.eks i oxy-fuel forbrenning og gi høyere energieffektivitet basert på lavere driftstemperatur som også øker membranens stabilitet. Prosjektet vil også bidra til utvikling av katoder som kan brukes i nye brenselceller som kan brukes ved lavere temperatur. Vi utvikler komposittmembranene langs to tilnærminger. 1) For keramiske kompositt membraner: a) Vi har utviklet termokjemisk stabile membraner basert på blanding av oksidionledere som Bi2O3 og elektroniske ledere som Sr-dopet LaMnO3 (LSM) og LaFeO3 (LSF). Disse membranene viste høy oksygenfluks, sammenlignbar med de beste oksygenmembranene basert på Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3 (BSCF), og med mye bedre stabilitet i CO2 atmosfære som er viktig for mange anvendelser. Noen resultater ble publisert på 'Chem. Commun., 2019, 55, 3493 ', og omfattende evalueringer av denne typen membraner ble utarbeidet for publikasjoner sendt til 'Journal of Membrane Sciences'. Videre har tilsetninger av Ta, Pr og Tm til Bi2O3 for å danne enfasede oksygen-separasjonsmembraner blitt studert. Den målte oksygenflusstettheten til enfaset membran var mye lavere enn den for cer-cer-membraner, noe som indikerer viktigheten av elektronisk ledende fase i membranenes transport. b) Oksygenoverflateutvekslingskinetikken til ren og dopet Bi2O3, LSM og kompositter basert på dem er for tiden under etterforskning ved hjelp av isotoputvekslingsgassfaseanalyse (IE-GPA), pulsert isotoputvekslingsgassfaseanalyse (PIE-GPA), og ToF-SIMS. Resultatene fra dette arbeidet er oppsummert i en artikkel for publikasjon i vitenskapelig journal, tittelen er "Oxygen surface exchange kinetics in Bi2O3-based mixed conductors". 2) For to-fase fast-flytende membraner: a) Et fast-flytende kompositt-system basert på smeltet Bi2O3 er blitt testet og det er vist at oksygen transporteres i smelten. Det er lagt vekt på å søke etter et passende oksid som danner eutektisk blandingssystem med Bi2O3 for å oppnå et lavere smeltepunkt, og som er kompatibel med keramiske matriser. b) Salter basert på K2SO4 og V2O5 med smeltepunkt lavere enn 500 °C er blitt infiltrert i forskjellige porøse keramiske bærere, inkludert rene elektroniske ledere og kompositter av elektroniske og oksid-ioneledere. Komposittmembranene har vist oksygengjennomtrenging i temperaturområdet 500-650 ° C. Imidlertid er stabiliteten til den keramiske bæreren fortsatt en utfordring. c) Et ZrV2O7-30mol%-V2O5 fast-flytende kompositt har blitt karakterisert ved hjelp av elektromotoriske (EMF) og elektrokjemisk målinger siden for økt forståelse av enkeltbidragene. Når V2O5 smelter og øker V2O5-volumperkolasjonen, øker den elektriske ledningsevnen med en faktor 10 og aktiveringsenergien øker fra 0.21 til ~0.7 eV. Oksygen red-ox-reaksjonen på overflaten endres fra å være hastighetsbegrenset av ladningsoverføringsprosesser til masseoverføringsprosesser som en konsekvens av rask oksygenutveksling i smeltet V2O5 sammenlignet med den helt faste kompositten. Dette arbeidet, med tittelen " Electrical transport in a V2O5-ZrV2O7 molten/solid composite", ble publisert i Journal of Materials Chemistry A 16. august 2021. d) Defektkjemi og transportegenskaper i ZrV2O7 har blitt undersøkt ved eksperimentelle og beregningsmetoder som DFT. Et vitenskapelig bidrag med tittelen "Defekter og transport i ZrV2O7" er under forberedelse for innsending. e) Porøse bærere er svært viktige for å utvikle faste/flytende membraner. En støvete gassmodell er brukt for å simulere gasstransport i porøse medier. For bedre å forstå egenskapene som permeabilitet, bøyelighet, osv., implementeres i dyp læring for å generere 3D-porøs struktur fra et 2D-treningsbilde. I tillegg brukes en slik metode også for å analysere trippelfasegrense på membranoverflater. Når det gjelder prosessintegrasjoner, ble ytelsesevalueringer av komposittmembranene når det gjelder energieffektivitet utført ved å beregne material- og energibalansene for prosessene i oksygen basert forbrenning i gassturbinsykluser (Oxy-GT) og i hydrogenproduksjon. En systematisk tilnærming til integrering av membraner i disse prosessene ble utviklet, som viser potensialet for effektivitetsforbedring. Analyser indikerte at den optimale operasjonen til OTM-er er ved 750 °C for Oxy-GT og 800 °C for ATR, og et høyt gjenvinnings- og matetrykk i området 5-10 bar er også nødvendig for konkurranseevnen til OTM-er.

The results obtained in this project have significant benefit for the field of oxygen separation membranes. We have shown the importance of super coherent interface on fast oxygen transport. Commercialization of such a membrane system could be potentially achieved upon development of a suitable catalyst for low temperature surface activation. Novel solid/molten membrane systems would make oxygen separation possible at lower temperatures (500-600°C). Through this project, we also found the enhancement of molten phase on surface kinetics, transport, and electrochemical performance of composite systems. Developed modelling for porous transport and 3D reconstruction will support future research on dual-phase material systems. In this sense, knowledge built in this project will be essential to reaching commercialization of future green energy related technologies such as novel chemical processes, e.g. membrane reactors, molten carbonate fuel cells (MCFCs), SOFCs and catalysis.

Many of current energy conversion and storage technologies utilize the fine interfaces between porous solid and functional ion-conducting liquid phases. Fundamental and microscopical understanding of how they work is, however, limited. Understanding of the properties of materials confined in constrained geometry is of fundamental interest, as surface interactions due to spatial restriction and low dimensionality of the confining matrix result in the physical and chemical behavior of the confined systems much different from the bulk. The MOC-OTM project addresses these challenges and takes as starting point the recent discoveries of new systems (e.g. dual phase gas separation membranes and apparent proton conduction in ceramics at room temperature pursued separately in preceding RCN projects) and advances in theory, modelling, and high resolution and in-situ instrumentation to call for a deeper and more generic investigation of the principles at hand. This will be exemplified in the present project with the development of high flux oxygen transport membranes operating at intermediate temperature to increase efficiency of oxygen combustion in CCS integrated power plants. The membranes will be designed as molten/solid composite systems exhibiting high oxygen flux density through confinement effects in microstructured solid phases. The project will contain theoretical and modelling activities, experimental studies of key materials systems and fabrication of microstructured ceramic matrices and composite membranes. Membranes will be tested in relevant conditions to evaluate their operating window and address stability of operation over 500h. The project is led by SINTEF, with UiO, Colorado School of Mines, Imperial College London, University Twente, as national and international collaborators, and has an advisory board including Air Liquide, CoorsTeK Membrane Sciences and Cerpotech to ensure industrial relevance. It trains one PhD candidate and lasts for 3 years.