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中科院青岛能源所:新型氧离子传导陶瓷膜用于稳定产氢

2022-12-13

氢气因其作为清洁能源的潜力而备受关注。迄今为止,大部分氢气都是利用天然气、煤炭或石油等化石燃料生产的。这种从化石中提取的氢气,必须从各类常见污染物中纯化出来,才能进一步应用到燃料电池当中。

使用致密的氧离子传导陶瓷膜来进行化石衍生氢辅助的水分解,是一种新型氢纯化技术。金属氧化物构成的氧离子传导膜对氧具有100%的选择性,如果在膜一侧进行高温水分解反应,另一侧进行化石衍生氢燃烧反应,那么低纯氢气燃烧可驱动膜另一侧水分解,直接获得不含一氧化碳的氢气,用于氢燃料电池。然而,暴露在含氢气、二氧化碳、硫化氢、甲烷和水蒸气等复杂恶劣气氛中时,现有的氧离子传导膜的化学稳定性仍是一个问题。

在前期氧离子传导膜材料开发的基础上(Angew.Chem.Int.Ed. 2021,60,5204-5208;Chem.Mater. 2019,31,7487-7492;AIChE J. 2019,65,e16740),最近,中国科学院青岛生物能源与过程技术研究所(QIBEBT)的研究团队开发了一种“界面反应诱导重组”的新方法,在陶瓷氧化物膜表面构筑一层超薄氧离子传导致密膜,形成多层结构陶瓷膜,以稳定高效地提纯化石衍生氢,制取不含一氧化碳的氢气。

该研究于11月3日发表在《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition)杂志上,并已申请一项中国发明专利和一项国际专利。

网页截图 | 参考文献[1]

“多层陶瓷膜通常使用逐层沉积方法制造,然而,这些传统制膜工艺(图1a)程序繁多,并且所得致密层较厚,通常在10到1000 μm之间。此外,沉积的致密层在共烧结过程中经常从支撑层剥离。”通讯作者江河清研究员说。

受土壤中根茎草的结构启发,研究人员开发了一种界面反应诱导重组方法来制造三层陶瓷膜(图1b),其氧传导薄层根植于支撑层,原位构筑的氧离子传导膜非常薄(~1 μm),致密并且牢固地粘附在支撑层上,既可显著降低氧离子传输阻力,又能避免薄膜分层或剥离,保持多层结构陶瓷膜的完整性。另外,该过程只需一步热处理(双相陶瓷前体的一步烧结),有望降低多层结构陶瓷膜的制备成本。

图1 具有离子传导致密层的多层陶瓷膜的示意图 a) 传统的逐层沉积;b) 界面反应诱导的重组 | 参考文献[1]

该方法适用于十余种不同的陶瓷体系,具有较好的普适性,其中氧离子传导薄膜包含Ce0.9Gd0.1O2-δ、Y0.08Zr0.92O2-δ、Ce0.9Pr0.1O2-δ、Ce0.9Sm0.1O2-δ等,简称CGO致密薄膜。研究人员将开发的新型陶瓷膜作为膜反应器,在模拟焦炉气氛(含有H2、CH4、CO2、CO和H2S)下进行的氧化辅助水分解产氢,能够连续稳定运行超过1000个小时,展现出优异的稳定性和制氢性能。

江河清研究员表示:“这些结果表明,该技术为开发具有功能层的高性能多层陶瓷铺平了道路,应用前景广阔——例如固体氧化物燃料电池和电解电池。这也将是我们未来工作的重点。”

参考文献

[1] He, G., Lan, Q., Liu, M., Wu, G., Dunin-Borkowski, R..E. and Jiang, H. (2022), Multilayered Ceramic Membrane with Ion Conducting Thin Layer Induced by Interface Reaction for Stable Hydrogen Production. Angew. Chem. Int. Ed.. Accepted Author Manuscript. https://doi.org/10.1002/anie.202210485

[2] https://www.eurekalert.org/news-releases/970563

[3] https://www.cas.cn/syky/202211/t20221107_4853939.shtml

编译:竹子

编辑:靳小明

排版:尹宁流

题图来源:参考文献[1]

研究团队

通讯作者 江河清:中国科学院青岛生物能源与过程研究所研究员

第一作者 贺广虎:中国科学院青岛生物能源与过程研究所副研究员

论文信息

发布期刊Angewandte Chemie International Edition

发布时间 2022年11月3日

论文标题 Multilayered Ceramic Membrane with Ion Conducting Thin Layer Induced by Interface Reaction for Stable Hydrogen Production

(DOI:https://doi.org/10.1002/anie.202210485)

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