與可再生能源電解水制氫技術(shù)相比，通過提純工業(yè)副產(chǎn)氫獲取燃料氫氣是現(xiàn)階段更廉價的制氫方式。金屬氧化物構(gòu)成的氧離子傳導(dǎo)膜具有對氧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)，可實現(xiàn)低純氫氣燃燒反應(yīng)，進而驅(qū)動膜另一側(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，因而常見含鈷或鐵的膜材料面臨抗還原腐蝕性能差的問題。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，中國科學(xué)院青島生物能源與過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)制膜工藝對比，研究利用該技術(shù)原位構(gòu)筑的氧離子傳導(dǎo)膜非常?。▇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)定運行超過1000個小時，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《德國應(yīng)用化學(xué)》上，并已申請一項中國發(fā)明專利和一項國際專利。
研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中科院國際合作局對外合作重點項目、中科院青年創(chuàng)新促進會等的支持。
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
（來源：青島生物能源與過程研究所）