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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)階段更現(xiàn)實(shí)和價(jià)廉的制氫方式，有利于降低氫燃料電池的運(yùn)行成本。燃料氫氣中微量CO雜質(zhì)的存在能夠快速毒化燃料電池催化劑，因此，開(kāi)發(fā)出不含CO的氫氣（CO≦0.2 ppm）制備技術(shù)是氫能研究的重要方向。具有氧離子-電子混合導(dǎo)電性的致密陶瓷膜對(duì)氧氣的傳輸具有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)耦合在陶瓷透氧膜反應(yīng)器的兩側(cè)，低純氫氣的燃燒可以促進(jìn)陶瓷膜另一側(cè)水分解所生成氧氣的原位移除，從而可高效促進(jìn)水分解，直接獲得不含CO的氫氣，可作為燃料直接用于氫燃料電池。
在氫氣制備過(guò)程中，前期報(bào)道的陶瓷透氧膜中的鈷和鐵離子易被深度還原，呈現(xiàn)出較差的化學(xué)穩(wěn)定性。近期，中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所研究員江河清與德國(guó)漢諾威大學(xué)教授Caro合作，開(kāi)發(fā)出一種新型鈦基雙相混合導(dǎo)體透氧膜。與化學(xué)不穩(wěn)定的鐵基雙相膜相比，鈦基雙相膜材料在含有水蒸氣和高濃度氫氣氣氛下處理100小時(shí)仍保持原有的相結(jié)構(gòu)和微觀形貌，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗還原穩(wěn)定性。該雙相透氧膜在還原氣氛下具有較好的透氧性能，作為膜反應(yīng)器，可用于氫氣純化制備過(guò)程。在低純氫氣燃燒反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)下，在膜反應(yīng)器的水分解反應(yīng)一側(cè)可高效獲取不含CO的氫氣。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該鈦基雙相膜可長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，膜材料在實(shí)際化學(xué)反應(yīng)條件下呈現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性，其氫氣產(chǎn)率為0.25 m3 h-1 m-2。
該研究解決了在還原性氣氛下陶瓷膜材料穩(wěn)定性差的問(wèn)題，促進(jìn)了陶瓷膜制氫技術(shù)的發(fā)展。相關(guān)研究成果以Hydrogen purification through a highly stable dual-phase oxygen permeable membrane為題，發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》上（Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 5204-5208）。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院生物燃料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新基金和中科院大連化學(xué)物理研究所（大連化物所）-青島能源所融合基金的支持。
新型鈦基透氧膜反應(yīng)器內(nèi)制氫；鈦基雙相膜與鐵基雙相膜材料穩(wěn)定性對(duì)比
