Recent Progress on Mixed Conducting Oxygen Transport Membrane Reactors for Water Splitting Reaction
Received date: 2020-12-09
Online published: 2021-01-25
Supported by
National Natural Science Foundation of China(22008231); National Natural Science Foundation of China(21776267); Dalian National Laboratory for Clean Energy (DNL)(DNL180203); LiaoNing Revitalization Talents Program(XLYC1801004)
Catalytic membrane reactors based on mixed conducting oxygen transport membranes (OTMs) have the ability to integrate reaction and separation, and thus simplify the chemical process by coupling oxygen supplying reaction, oxygen separation and oxygen consumption reaction into a single unit. In recent years, more and more attentions have been paid to the mixed conducting OTM reactors for water splitting reaction owing to their applications for preparation and separation of hydrogen. In this article, we summarize the recent progress on mixed conducting OTM reactors for water splitting reaction, including the effects of membrane materials, catalysts and operation conditions on the water splitting involved membrane reactors. Meanwhile, the current existing problems in the above aspects are analyzed, and the future development of membrane materials, membrane structures and catalysts in this field is prospected. We wish this paper will be helpful for the development of the water splitting in membrane reactors.
Key words： hydrogen; oxygen transport membrane; water splitting; membrane material; catalyst
Lili Cai , Jingyi Wang , Xuefeng Zhu , Weishen Yang . Recent Progress on Mixed Conducting Oxygen Transport Membrane Reactors for Water Splitting Reaction[J]. Acta Chimica Sinica, 2021 , 79(5) : 588 -599 . DOI: 10.6023/A20120561
| [1] | Zhu, X. F.; Li, M. R.; Liu, H. Y.; Zhang, T. Y.; Cong, Y.; Yang, W. S. J. Membr. Sci. 2012, 394-395,120. |
| [2] | Geffroy, P.-M.; Fouletier, J.; Richet, N.; Chartier, T. Chem. Eng. Sci. 2013, 87,408. |
| [3] | Sunarso, J.; Baumann, S.; Serra, J. M.; Meulenberg, W. A.; Liu, S.; Lin, Y. S. Diniz da Costa, J.C. J. Membr. Sci. 2008, 320,13. |
| [4] | Shao, Z. P.; Yang, W. S.; Cong, Y.; Dong, H.; Tong, J. H.; Xiong, G. X. J. Membr. Sci. 2000, 172,177. |
| [5] | Tan, X. Y.; Liu, N.; Meng, B.; Liu, S. M. J. Membr. Sci. 2011, 378,308. |
| [6] | Zeng, P. Y.; Ran, R.; Chen, Z. H.; Gu, H. X.; Shao, Z. P.; Liu, S. M. AIChE J. 2007, 53,3116. |
| [7] | Zhu, Y.; Cai, L. L.; Li, W. P.; Cao, Z. W.; Li, H. B.; Jiang, H. Q.; Zhu, X. F.; Yang, W. S. AIChE J. 2020, 66,e16291. |
| [8] | Wang, S.; Shi, L.; Xie, Z. A.; Wang, H. Q.; Lan, Q.; He, Y.; Yan, D.; Zhang, X.; Luo, H. X. Chin. Sci. Bull. 2019, 64,1651. (in Chinese). |
| [8] | ( 王舒, 石磊, 谢沚昂, 王好奇, 蓝琪, 何缘, 严冬, 张杏, 罗惠霞, 科学通报, 2019, 64,1651.) |
| [9] | Shi, L.; Wang, S.; Lu, T. N.; He, Y.; Yan, D.; Lan, Q.; Xie, Z. A.; Wang, H. Q.; Li, M.-R.; Caro, J.; Luo, H. X. J. Alloy. Compd. 2019, 806,500. |
| [10] | Luo, H. X.; Klande, T.; Cao, Z. W.; Liang, F. Y.; Wang, H. H.; Caro, J. J. Mater. Chem. A 2014, 2,7780. |
| [11] | Yang, Z. B.; Ding, W. Z.; Zhang, Y. Y.; Lu, X. G.; Zhang, Y. W.; Shen, P. J. Int. J. Hydrogen Energy 2010, 35,6239. |
| [12] | Zhang, Y. W.; Liu, J.; Ding, W. Z.; Lu, X. G. Fuel 2011, 90,324. |
| [13] | Zhang, G. R.; Jin, W. Q.; Xu, N. P. Energy 2018, 4,848. |
| [14] | Zhu, X. F.; Yang, W. S. Adv. Mater. 2019, 31,1902547. |
| [15] | Zhu, X. F.; Yang, W. S. AIChE J. 2008, 54,665. |
| [16] | Zhu, X. F.; Liu, Y.; Cong, Y.; Yang, W. S. Solid State Ionics 2013, 253,57. |
| [17] | Luo, H. X.; Jiang, H. Q.; Klande, T.; Cao, Z. W.; Liang, F. Y.; Wang, H. H.; Caro, J. Chem. Mater. 2012, 24,2148. |
| [18] | Zhu, X. F.; Cong, Y.; Yang, W. S. J. Membr. Sci. 2006, 283,38. |
| [19] | Zhu, X. F.; Wang, H. H.; Cong, Y.; Yang, W. S. Catal. Lett. 2006, 111,179. |
| [20] | He, Z. Y.; Li, C. Q.; Chen, C. S.; Tong, Y. C.; Luo, T.; Zhan, Z. L. J. Power Sources 2018, 392,200. |
| [21] | Cao, Z. W.; Jiang, H. Q.; Luo, H. X.; Baumann, S.; Meulenberg, W. A.; Assmann, J.; Mleczko, L.; Liu, Y.; Caro, J. Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52,13794. |
| [22] | Jiang, H. Q.; Cao, Z. W.; Schirrmeister, S.; Schiestel, T.; Caro, J. Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49,5656. |
| [23] | Wang, H. H.; Cong, Y.; Yang, W. S. Chem. Commun. 2002, 14,1468. |
| [24] | Schucker, R. C.; Dimitrakopoulos, G.; Derrickson, K.; Kope?K. K.; Alahmadi, F.; Johnson, J. R.; Shao, L.; Ghoniem, A. F. Ind. Eng. Chem. Res. 2019, 58,7989. |
| [25] | Préz-Ramírez, J.; Vigeland, B. Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44,1112. |
| [26] | Wang, H. B.; Gopalan, S.; Pal, U. B. Electrochim. Acta 2011, 56,6989. |
| [27] | Li, W. P.; Cao, Z. W.; Cai, L. L.; Zhang, L. X.; Zhu, X. F.; Yang, W. S. Energy Environ. Sci. 2017, 10,101. |
| [28] | Jiang, H. Q.; Wang, H. H.; Werth, S.; Schiestel, T.; Caro, J. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47,9341. |
| [29] | Jiang, H. Q.; Wang, H. H.; Liang, F. Y.; Werth, S.; Schirrmeister, S.; Schiestel, T.; Caro, J. Catal. Today 2010, 156,187. |
| [30] | Wu, X.-Y.; Cai, L. L.; Zhu, X. F.; Ghoniem, A. F.; Yang, W. S. J. Adv. Manuf. Process. 2020, 2,e10059. |
| [31] | Wu, X.-Y.; Ghoniem, A. F.; Uddi, M. AIChE J. 2016, 62,4427. |
| [32] | Jia, L. J.; He, G. H.; Zhang, Y.; Caro, J.; Jiang, H. Q. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60,5204. |
| [33] | Fang, W.; Steinbach, F.; Cao, Z. W.; Zhu, X. F.; Feldhoff, A. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55,8648. |
| [34] | Li, W. P.; Zhu, X. F.; Cao, Z. W.; Wang, W. P.; Yang, W. S. Int. J. Hydrogen Energy 2015, 40,3452. |
| [35] | Liang, W. Y.; Zhou, H. Y.; Caro, J.; Jiang, H. Q. Int. J. Hydrogen Energy 2018, 43,14478. |
| [36] | Li, W. P.; Zhu, X. F.; Chen, S. G.; Yang, W. S. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55,8566. |
| [37] | Nikolaidis, P.; Poullikkas, A. Renew. Sust. Energ. Rev. 2017, 67,597. |
| [38] | Holladay, J. D.; Hu, J.; King, D. L.; Wang, Y. Catal. Today 2009, 139,244. |
| [39] | Dincer, I. Int. J. Hydrogen Energy 2012, 37,1954. |
| [40] | Liang, W. Y.; Cao, Z. W.; He, G. H.; Caro, J.; Jiang, H. Q. ACS Sustain. Chem. Eng. 2017, 5,8657. |
| [41] | Thursfield, A.; Murugan, A.; Franca, R.; Metcalfe, I. S. Energy Environ. Sci. 2012, 5,7421. |
| [42] | Kogan, A. Int. J. Hydrogen Energy 1997, 22,481. |
| [43] | Kogan, A. Int. J. Hydrogen Energy 2000, 25,1043. |
| [44] | Steinfeld, A. Sol. Energy 2005, 78,603. |
| [45] | Miller, J.; Allendorf, M.; Diver, R.; Evans, L.; Siegel, N.; Stuecker, J. J. Mater. Sci. 2008, 43,4714. |
| [46] | Funk, J. Int. J. Hydrogen Energy 2001, 26,185. |
| [47] | Naito, H.; Arashi, H. Solid State Ionics 1995, 79,366. |
| [48] | Song, S.-J.; Moon, J.-H.; Ryu, H.-W.; Lee, T.-H.; Dorris, S. E.; Balachandran, U. J. Ceram. Process. Res. 2008, 9,123. |
| [49] | Li, W. P.; Cao, Z. W.; Zhu, X. F.; Yang, W. S. AIChE J. 2017, 63,1278. |
| [50] | Cai, L. L.; Hu, S. Q.; Cao, Z. W.; Li, H. B.; Zhu, X. F.; Yang, W. S. AIChE J. 2019, 65,1088. |
| [51] | Cai, L. L.; Zhu, Y.; Cao, Z. W.; Li, W. P.; Li, H. B.; Zhu, X. F.; Yang, W. S. J. Membr. Sci. 2020, 594,117463. |
| [52] | Cai, L. L.; Liu, W.; Cao, Z. W.; Li, H. B.; Cong, Y.; Zhu, X. F.; Yang, W. S. J. Membr. Sci. 2020, 599,117702. |
| [53] | Cai, L. L.; Wu, X.-Y.; Zhu, X. F.; Ghoniem, A. F.; Yang, W. S. AIChE J. 2020, 66,e16427. |
| [54] | Liu, Y. T.; Tan, X. Y.; Li, K. Catal. Rev.-Sci. Eng. 2006, 48,145. |
| [55] | Sunarso, J.; Hashim, S. S.; Zhu, N.; Zhou, W. Prog. Energy Combust. Sci. 2017, 61,57. |
| [56] | Plazaola, A. A.; Labella, A. C.; Liu, Y. L.; Porras, N. B.; Tanaka, D. A.P.; Van Sint Annaland, M.; Gallucci, F. Processes 2019, 7,128. |
| [57] | Hashim, S. M.; Mohamed, A. R.; Bhatia, S. Adv. Colloid Interface Sci. 2010, 160,88. |
| [58] | Zhang, C.; Sunarso, J.; Liu, S. M. Chem. Soc. Rev. 2017, 46,2941. |
| [59] | Chen, C. S.; Boukamp, B. A.; Bouwmeester, H. J.M.; Cao, G. Z.; Kruidhof, H.; Winnubst, A. J.A. Solid State Ionics 1995, 76,23. |
| [60] | Kim, J.; Lin, Y. S. J. Membr. Sci. 2000, 167,123. |
| [61] | Luo, H. X.; Jiang, H. Q.; Efimov, K.; Wang, H. H.; Caro, J. AIChE J. 2011, 57,2738. |
| [62] | Garcia-Fayos, J.; Balaguer, M.; Serra, J. M. ChemSusChem 2015, 8,4242. |
| [63] | Li, W.; Liu, J. J.; Chen, C. S. J. Membr. Sci. 2009, 340,266. |
| [64] | Bi, X. X.; Meng, X. X.; Liu, P. Y.; Yang, N. T.; Zhu, Z. H.; Ran, R.; Liu, S. M. J. Membr. Sci. 2017, 522,91. |
| [65] | Cao, Z. W.; Zhu, X. F.; Li, W. P.; Xu, B.; Yang, L. N.; Zhu, X. F. Mater. Lett. 2015, 147,88. |
| [66] | Zhu, X. F.; Liu, H. Y.; Cong, Y.; Yang, W. S. Chem. Commun. 2012, 48,251. |
| [67] | Fang, W.; Gao, J. F.; Chen, C. S. Ceram. Int. 2013, 39,7269. |
| [68] | Wang, Z. T.; Sun, W. P.; Zhu, Z. W.; Liu, T.; Liu, W. ACS Appl. Mater. Interfaces 2013, 5,11038. |
| [69] | Luo, H. X.; Efimov, K.; Jiang, H. Q.; Feldhoff, A.; Wang, H. H.; Caro, J. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50,759. |
| [70] | Xue, J.; Liao, Q.; Wei, Y. Y.; Li, Z.; Wang, H. H. J. Membr. Sci. 2013, 443,124. |
| [71] | Chen, T.; Zhao, H. L.; Xie, Z. X.; Xu, N. S.; Lu, Y. Ionics 2015, 21,1683. |
| [72] | Chen, T.; Zhao, H. L.; Xie, Z. X.; Wang, J.; Lu, Y.; Xu, N. S. J. Power Sources 2013, 223,289. |
| [73] | Du, Z. H.; Ma, Y. H.; Zhao, H. L.; Li, K.; Lu, Y. J. Membr. Sci. 2019, 574,243. |
| [74] | Zhu, X. F.; Yang, W. S. Chin. J. Catal. 2009, 30,801. (in Chinese). |
| [74] | ( 朱雪峰, 杨维慎, 催化学报, 2009, 30,801.) |
| [75] | Fang, W.; Liang, F. Y.; Cao, Z. W.; Steinbach, F.; Feldhoff, A. Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54,4847. |
| [76] | Evdou, A.; Nalbandian, L.; Zaspalis, V. T. J. Membr. Sci. 2008, 325,704. |
| [77] | Jiang, H. Q.; Liang, F. Y.; Czuprat, O.; Efimov, K.; Feldhoff, A.; Schirrmeister, S.; Schiestel, T.; Wang, H. H.; Caro, J. Chem 2010, 16,7898. |
| [78] | Lee, T. H.; Park, C. Y.; Dorris, S. E.; Balachandran, U. ECS Trans. 2008, 13,379. |
| [79] | Balachandran, U.; Lee, T. H.; Dorris, S. E. Int. J. Hydrogen Energy 2007, 32,451. |
| [80] | Franca, R. V.; Thursfield, A.; Metcalfe, I. S. J. Membr. Sci. 2012, 389,173. |
| [81] | Park, C. Y.; Azzarello, F. V.; Jacobson, A. J. J. Mater. Chem. 2006, 16,3624. |
| [82] | Park, C. Y.; Lee, T. H.; Dorris, S. E.; Balachandran, U. ECS Trans. 2008, 13,393. |
| [83] | Park, C. Y.; Lee, T. H.; Dorris, S. E.; Balachandran, U. Int. J. Hydrogen Energy 2010, 35,4103. |
| [84] | Park, C. Y.; Lee, T. H.; Dorris, S. E.; Balachandran, U. Int. J. Hydrogen Energy 2013, 38,6450. |
| [85] | Balachandran, U.; Lee, T. H.; Wang, S.; Dorris, S. E. Int. J. Hydrogen Energy 2004, 29,291. |
| [86] | Hong, J.; Wang, H.; Gopalan, S.; Pal, U. B. ECS Trans. 2008, 6,1. |
| [87] | Wang, H.; Gopalan, S.; Pal, U. B. Electrochim. Acta 2011, 56,6989. |
| [88] | Patrakeev, M. V.; Bahteeva, J. A.; Mitberg, E. B.; Leonidov, I. A.; Kozhevnikov, V. L.; Poeppelmeier, K. R. J. Solid State Chem. 2003, 172,219. |
| [89] | Tsipis, E. V.; Patrakeev, M. V.; Kharton, V. V.; Yaremchenko, A. A.; Mather, G. C.; Shaula, A. L.; Leonidov, I. A.; Kozhevnikov, V. L.; Frade, J. R. Solid State Sci. 2005, 7,355. |
| [90] | Patrakeeva, M. V.; Leonidov, I. A.; Kozhevnikov, V. L.; Kharton, V. V. Solid State Sci. 2004, 6,907. |
| [91] | Leonidov, I. A.; Kozhevnikov, V. L.; Patrakeev, M. V.; Mitberg, E. B.; Poeppelmeier, K. R. Solid State Ionics 2001, 144,361. |
| [92] | Kharton, V. V.; Yaremchenko, A. A.; Shaula, A. L.; Viskup, A. P.; Marques, F. M.B.; Frade, J. R.; Naumovich, E. N.; Casanova, J. R.; Marozau, I. P. Defect Diffus. Forum 2004, 226-228,141. |
| [93] | Kozhevnikov, V. L.; Leonidov, I. A.; Bahteeva, J. A.; Patrakeev, M. V.; Mitberg, E. B.; Poeppelmeier, K. R. Chem. Mater. 2004, 16,5014. |
| [94] | Fowler, D. E.; Haag, J. M.; Boland, C.; Bierschenk, D. M.; Barnett, S. A.; Poeppelmeier, K. R. Chem. Mater. 2014, 26,3113. |
| [95] | Haag, J. M.; Barnett, S. A.; Richardson Jr., J. W.; Poeppelmeier, K.R. Chem. Mater. 2010, 22,3283. |
| [96] | Yoo, J.; Kim, S.; Choi, H.; Rhim, Y.; Lim, J.; Lee, S.; Jacobson, A. J. J. Electroceram. 2011, 26,56. |
| [97] | Cai, L. L.; Li, W. P.; Cao, Z. W.; Zhu, X. F.; Yang, W. S. J. Membr. Sci. 2016, 520,607. |
| [98] | Li, W. P.; Cao, Z. W.; Zhu, X. F.; Yang, W. S. J. Membr. Sci. 2019, 573,370. |
| [99] | Midilli, A.; Ay, M.; Dincer, I.; Rosen, M. A. Renew. Sust. Energ. Rev. 2005, 9,255. |
| [100] | Balat, M. Int. J. Hydrogen Energy 2008, 33,4013. |
| [101] | Wiltowski, T.; Mondal, K.; Campen, A.; Dasgupta, D.; Konieczny, A. Int. J. Hydrogen Energy 2008, 33,293. |
| [102] | Schulze-Küppers, F.; Baumann, S.; Meulenberg, W. A.; St?ver, D.; Buchkremer, H.-P. J. Membr. Sci. 2013, 433,121. |
| [103] | Kaiser, A.; Foghmoes, S. P.; Pe?anac, G.; Malzbender, J.; Chatzichristodoulou, C.; Glasscock, J. A.; Ramachandran, D.; Ni, D. W.; Esposito, V.; S?gaard, M.; Hendriksen, P. V. J. Membr. Sci. 2016, 513,85. |
| [104] | Baumann, S.; Schulze-Küppers, F.; Roitsch, S.; Betz, M.; Zwick, M.; Pfaff, E. M.; Meulenberg, W. A.; Mayer, J.; St?ver, D. J. Membr. Sci. 2010, 359,102. |
| [105] | Unije, U.; Mücke, R.; Niehoff, P.; Baumann, S.; Va?en, R.; Guillon, O. J. Membr. Sci. 2017, 524,334. |
| [106] | Schulze-Küppersa, F.; Unije, U. V.; Blank, H.; Balaguer, M.; Baumann, S.; Mücke, R.; Meulenberg, W. A. J. Membr. Sci. 2018, 564,218. |
| [107] | Cai, L. L.; Cao, Z. W.; Zhu, X. F.; Yang, W. S. Green Chem. Eng. doi. org/10. 1016/j.gce.2020.11.003. |
| [108] | Zhu, N.; Dong, X. L.; Liu, Z. K.; Zhang, G. R.; Jin, W. Q.; Xu, N. P. Chem. Commun. 2012, 48,7137. |
| [109] | Zhou, H. Y.; Liang, W. Y.; Liang, F. Y.; Jiang, H. Q. Catal. Today 2019, 331,2. |
| [110] | Li, W. P.; Cao, Z. W.; Li, H. B.; Zhu, X. F.; Yang, W. S. Int. J. Hydrogen Energy 2019, 44,4218. |
/
| 〈 |
|
〉 |
