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本发明公开了一种具有夹心结构的三层陶瓷碳酸盐双相膜及其制备方法和应用，涉及无机膜制备技术领域，包括两个多孔陶瓷层和一个陶瓷‑碳酸盐致密层，陶瓷‑碳酸盐致密层两侧分别设有多孔陶瓷层。先制备NiO粉末、Bi0.8Pr0.2O1.5粉末和氧化钆掺杂氧化铈粉末；再通过机械混合合成NiO‑BPO复合氧化物、有机粘合二联法合成NiO‑BPO多孔层前驱体粉体，液相沉积法合成GDC‑碳酸盐复合粉末；最后用有序三层共压法制备即得。本发明制备的陶瓷碳酸盐双相膜与相同厚度单层陶瓷碳酸盐双相膜相比，CO2渗透性能更优、制备工艺简单，且能够在膜两侧分别耦合两个催化反应，可实现“CO2生成—CO2分离—CO2转化利用”三个过程合而为一，整个过程不需额外加入催化剂，做到真正意义上碳的“零排放”。