與可再生能源電解水制氫技術(shù)相比，通過(guò)提純工業(yè)副產(chǎn)氫獲取燃料氫氣是現(xiàn)階段更廉價(jià)的制氫方式。金屬氧化物構(gòu)成的氧離子傳導(dǎo)膜具有對(duì)氧100%的選擇性，將高溫水分解反應(yīng)和工業(yè)副產(chǎn)氫燃燒反應(yīng)耦合在致密氧離子傳導(dǎo)膜的兩側(cè)，可實(shí)現(xiàn)低純氫氣燃燒反應(yīng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)膜另一側(cè)水分解，直接獲得不含一氧化碳的氫氣，用于氫燃料電池。然而，氧離子傳導(dǎo)膜通常暴露在含H2、CO2、H2S、H2O、CH4等氣氛中，因而常見(jiàn)含鈷或鐵的膜材料面臨抗還原腐蝕性能差的問(wèn)題。因此，亟需開發(fā)適用于副產(chǎn)氫提純的氧離子傳導(dǎo)膜，為分布式氫能的發(fā)展提供技術(shù)支撐。
在前期氧離子傳導(dǎo)膜材料開發(fā)基礎(chǔ)的上（Angew.Chem.Int.Ed. 2021，60，5204-5208；Chem.Mater. 2019，31，7487-7492；AIChE J. 2019，65，e16740），近日，中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所膜分離與催化研究組研究員江河清提出界面反應(yīng)-自組裝技術(shù)在陶瓷氧化物膜表面構(gòu)筑一層超薄氧離子傳導(dǎo)致密膜，形成多層結(jié)構(gòu)陶瓷膜，用于穩(wěn)定高效地提純工業(yè)副產(chǎn)氫，制取不含CO的氫氣。與傳統(tǒng)制膜工藝對(duì)比，研究利用該技術(shù)原位構(gòu)筑的氧離子傳導(dǎo)膜非常薄（~1 μm），致密并且牢固地粘附在支撐層上，從而既可顯著降低氧離子傳輸阻力，又能避免薄膜分層或剝離，保持多層結(jié)構(gòu)陶瓷膜的完整性。另外，該過(guò)程只需一步熱處理，有望降低多層結(jié)構(gòu)陶瓷膜的制備成本。該方法適用于十余種不同的陶瓷體系，具有較好的普適性，其中氧離子傳導(dǎo)薄膜包含Ce0.9Gd0.1O2-δ、Y0.08Zr0.92O2-δ、Ce0.9Pr0.1O2-δ、Ce0.9Sm0.1O2-δ等。科研人員將開發(fā)的具超薄氧離子傳導(dǎo)膜的多層結(jié)構(gòu)陶瓷膜作為膜反應(yīng)器進(jìn)行工業(yè)副產(chǎn)氫提純，在H2、CH4、CO2、H2S、H2O氣氛下連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)1000個(gè)小時(shí)，展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和制氫性能。
該研究開發(fā)出的高性能氧離子傳導(dǎo)膜有望為工業(yè)副產(chǎn)氫提純、固體氧化物燃料電池/電解池及氧傳感器等提供技術(shù)支撐，并為制備其他具功能薄層的高性能多層結(jié)構(gòu)陶瓷提供新策略。近期，相關(guān)研究成果發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》上，并已申請(qǐng)一項(xiàng)中國(guó)發(fā)明專利和一項(xiàng)國(guó)際專利。
研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院國(guó)際合作局對(duì)外合作重點(diǎn)項(xiàng)目、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等的支持。
界面反應(yīng)-自組裝技術(shù)制備多層結(jié)構(gòu)氧離子傳導(dǎo)膜
（來(lái)源：青島生物能源與過(guò)程研究所）