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    粗氫提純新趨勢!——無機微孔膜的研究進展
    2022-07-26 15:07
    來源:中國科學報
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      2022年6月2日,Nano Research Energy(https://www.sciopen.com/journal/2790-8119)編委,北京航空航天大學水江瀾教授發表題為 “Inorganic microporous membranes for hydrogen separation: challenges and solutions”的最新綜述,該綜述全面介紹了用于氫氣分離的無機微孔膜最新研究進展。

      

      圖1. 用于儲氫提純的四種無機微孔膜

      氫氣是氫能的載體,是實現“碳中和”目標的關鍵材料。目前,全球90%以上的商用氫氣是通過化石燃料重整制取,產生的氣體通常含有N2、CO 、CH4、CO2等雜質,難以滿足半導體、航空航天燃料、燃料電池等應用的要求,因此對這類粗氫進行分離提純十分必要。氫氣提純的主要方法包括變壓吸附(PSA)、低溫分離、金屬氫化物分離和膜分離。PSA是利用固體吸附劑(如沸石和硅膠)對不同極性氣體的壓力依賴性吸附實現氫氣分離。在高壓下,極性雜質氣體被吸附,非極性氫分子在吸附柱頂部被回收,純度達到99.999%。PSA是業內成熟且流行的技術之一,但氫氣回收率較低(~75%)。低溫分離可分為低溫冷凝和低溫吸附,兩者都利用了氫氣具有超低沸點的特性。前者將低沸點雜質冷凝成液相,而后者通過吸附劑選擇性地吸附雜質。低溫分離技術適用于99%中等純度的大規模氫氣分離,但由于設備投資大、能耗高,限制了其廣泛應用。金屬氫化物對氫氣具有較高的選擇性,利用儲氫材料吸附分離H2,具有純度高、操作簡單、能耗低、材料成本低等優點,但通常會出現氫氣釋放不完全,氣體處理能力小,難以實現規?;a。

      與上述三種方法相比,微孔膜分離技術具有環保、節能、操作簡單、成本低等優點,是一種極具競爭力的粗氫提純技術。隨著材料科學和化學科學的蓬勃發展,無機微孔膜氫氣分離技術在近些年取得了很大進展。1960 年代,杜邦率先使用聚酯中空纖維膜分離 H2/He。1990年,中國科學院大連化學物理研究所研制出聚砜復合中空纖維膜,可從含氫量僅為40%~60%的催化裂化氣中回收氫氣,回收率達85%以上。近年來,通過優化制備工藝,大大提高了傳統膜的性能,氫分離膜材料取得了很大的進展。一些新的膜材料和加工技術不斷涌現,為氫分離膜的設計和制備提供了啟示,代表性材料如金屬有機框架 (MOF)、氧化石墨烯和 MXene 納米片已用于氫分離。根據分離機理,分離膜可分為微孔膜和致密無孔膜?;谌芤簲U散機制的致密膜可以實現對 H2 的無限選擇性,但受到氣體滲透率低的限制。微孔膜由于其孔隙率高、孔結構明確、孔徑分布窄等優點,目前在氣體分離中得到廣泛應用。高質量和高耐久性對于微孔膜的實際應用至關重要。然而,合成結構完整且穩定的膜是一個巨大的挑戰。

      本文綜述了氫氣分離無機微孔膜在設計和制備方面的最新進展,重點介紹了提升膜結構完整性、連續性和穩定性的合成策略。作者簡要介紹了三種膜分離機制,具體闡述了沸石膜、二氧化硅膜、碳膜和金屬有機骨架膜在合成方面的挑戰和相應的解決對策。最后,本文對超薄二維微孔膜的發展進行了展望。

     

     

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