Состав, структура и реакционная способность при восстановлении водородом композиционных материалов системы α-Fe₂O₃–СaFe₂O₄

Abstract

В работе изучены композиционные материалы системы α-Fe2O3–CaFe2O4, полученные методом высокотемпературного твердофазного синтеза из оксидов Са и Fe(III) с вариацией мольного отношения СаО/Fe2O3 от 0.15 до 1.00. Материалы охарактеризованы методами рентгеновской дифракции (РФА), сканирующей электронной микроскопии с системой энергодисперсионного микроанализа (СЭМ-ЭДС) и синхронного термического анализа (СТА) в режиме термопрограммируемого восстановления водородом (H2-ТПВ). СЭМ-ЭДС – исследование образцов выявило формирование сложной микроструктуры материала по типу «ядро-оболочка» с фазой гематита в качестве «ядра». H2-ТПВ образцов позволило установить, что с увеличением содержания фазы CaFe2O4 (от 33.4 до 97.5 мас. %) наблюдается снижение вклада низкотемпературных форм решеточного кислорода в областях 350-510 °С (до 2.6 раза) и 510-650 °С (до 1.7 раза) и рост вклада высокотемпературной формы кислорода в интервале 650-900 °С (до 2 раз). На основе оценки подвижности решеточного кислорода высказано предположение о перспективности использования полученных композиционных материалов с содержанием фазы CaFe2O4 более 55.2 мас. % в качестве носителей кислорода в химических циклических процессах получения синтез-газа

In this paper, α-Fe2O3–CaFe2O4 composite materials obtained by high-temperature solid-phase synthesis from Ca and Fe (III) oxides with varying molar ratio CaO/Fe2O3 in the range 0.15-1.00 were investigated. The materials are characterized by Х-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy with energy-dispersive X-ray microanalysis (SEM-EDS) and simultaneous thermal analysis (STA) in the hydrogen temperature-programmed reduction mode (H2-TPR). SEM-EDS studies of the specimens were revealed a formation of the “core-shell” type complex microstructure of material with the hematite phase as the “core”. H2-TPR of the specimens allowed to establish a decrease of the contribution of low-temperature forms of lattice oxygen in areas of 350-510 °С (up to 2.6 times) and 510-650 °С (up to 1.7 times), and the growth of the contribution of the high-temperature oxygen form in the range of 650-900 °С (up to 2 times) with an increase in the content of the phase CaFe2O4 from 33.4 to 97.5 wt. %. Relying on the assessment of lattice oxygen mobility, it was suggested, that the samples with content of CaFe2O4 phase more than 55.4 wt. % are promising for use as oxygen carriers in chemical looping processes of syngas production