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    粗氫提純新趨勢!——無機微孔膜的研究進展
    Nano Research Energy / 時間:2022-07-22 13:33:25

    中國水網7月21日訊: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。

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    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。

    相關論文信息:

    Ahui Hao, Xin Wan, Xiaofang Liu, Ronghai Yu, Jianglan Shui. Inorganic microporous membranes for hydrogen separation: challenges and solutions. Nano Res. Energy 2022, DOI: 10.26599/NRE.2022.9120013. https://doi.org/10.26599/NRE.2022.9120013

    作為Nano Research姊妹刊,Nano Research Energy (ISSN: 2791-0091; e-ISSN: 2790-8119; 官網: https://www.sciopen.com/journal/2790-8119) 于2022年3月創刊,由清華大學曲良體教授和香港城市大學支春義教授共同擔任主編。Nano Research Energy是一本國際化的多學科交叉,全英文開放獲取期刊,聚焦納米材料和納米科學技術在新型能源相關領域的前沿研究與應用,對標國際頂級能源期刊,致力于發表高水平的原創性研究和綜述類論文。歡迎投稿,2023之前免收APC費。投稿請聯系NanoResearchEnergy@tup.tsinghua.edu.cn。


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