MIT：钯金过滤器可以更便宜、更高效地生产氢燃料

新颖的设计使膜在从气体混合物中分离氢气时能够承受高温。

朱珍妮 | 麻省理工学院新闻

钯金是启动氢基能源经济的关键之一。银色金属是抵御除氢气之外的所有气体的天然看门人，氢气很容易通过。由于其卓越的选择性，钯金被认为是过滤气体混合物以生产纯氢的最有效材料之一。

如今，钯基膜已用于商业规模，为半导体制造、食品加工和肥料生产以及膜在适度温度下运行的其他应用提供纯氢气。如果钯膜的温度超过800开尔文左右，它们就会分解。

现在，麻省理工学院的工程师开发了一种新的钯膜，可以在更高的温度下保持弹性。新设计不像大多数膜那样制成连续薄膜，而是由钯制成的，钯作为“塞子”沉积到底层支撑材料的孔隙中。在高温下，紧密贴合的塞子保持稳定并继续分离出氢气，而不是像表面薄膜那样降解。

热稳定的设计为膜用于氢燃料生产技术提供了机会，例如紧凑型蒸汽甲烷重整和氨裂解，这些技术旨在在更高的温度下运行以生产氢气，用于零碳排放的燃料和电力。

麻省理工学院机械工程系前研究生 Lohyun Kim 博士 '24 说：“随着在现实工业进料下扩展和验证性能的进一步工作，该设计可能代表一条通往高温制氢实用膜的有前希望的途径。

Kim 和他的同事在今天发表在《先进功能材料》杂志上的一项研究中报告了新膜的细节。该研究的合著者是麻省理工学院能源计划 （MITEI） 研究主任兰德尔·菲尔德 （Randall Field）;前麻省理工学院化学工程研究生 Chun Man Chow PhD '23;麻省理工学院机械工程系 Jameel 教授兼 Abdul Latif Jameel 水与食品系统实验室 （J-WAFS） 主任 Rohit Karnik;亚伦·佩萨德 （Aaron Persad），前麻省理工学院机械工程研究科学家，现任马里兰大学东岸分校助理教授。

紧凑的未来

该团队的新设计来自与聚变能相关的 MITEI 项目。未来的聚变发电厂，例如麻省理工学院的衍生公司联邦聚变系统公司正在设计的核聚变发电厂，将涉及在极高温度下循环氘和氚的氢同位素，以从同位素的熔变中产生能量。这些反应不可避免地会产生其他必须分离的气体，氢同位素将被再循环到主反应堆中进行进一步聚变。

类似的问题也出现在许多其他制氢工艺中，其中气体必须分离并再循环回反应器。这种再循环系统的概念需要先冷却气体，然后才能通过氢分离膜——这是一个昂贵且能源密集的步骤，将涉及额外的机械和硬件。

“我们正在思考的问题之一是：我们能否开发出尽可能靠近反应堆并在更高温度下运行的膜，这样我们就不必先抽出气体并将其冷却？”卡尼克说。“它将实现更节能、更便宜、更紧凑的聚变系统。”

研究人员寻找提高钯膜耐温性的方法。钯金是当今用于从各种气体混合物中分离氢气的最有效金属。它自然吸引氢分子（H2） 到其表面，金属的电子与分子的键相互作用并削弱分子的键，导致 H2暂时分解成各自的原子。然后各个原子扩散穿过金属并在另一侧重新连接成纯氢。

钯在从各种气体流中渗透氢气（而且只有氢气）方面非常有效。但传统膜通常可以在高达 800 开尔文的温度下运行，然后薄膜开始形成孔或结块成液滴，从而允许其他气体流过。

插入

Karnik、Kim 和他们的同事采取了不同的设计方法。他们观察到，在高温下，钯金会开始收缩。在工程术语中，该材料的作用是降低表面能。为此，钯和大多数其他材料甚至水都会被拉开并形成表面能最小的液滴。表面能越低，材料在进一步加热时就越稳定。

这给了团队一个想法：如果支撑材料的孔隙可以用钯沉积物“堵塞”——基本上已经形成了具有最低表面能的液滴——那么狭窄的四分之一可能会大大提高钯的耐热性，同时保持膜对氢的选择性。

为了验证这个想法，他们使用多孔二氧化硅支撑层（每个孔宽约半微米）制造了小芯片大小的膜样品，并在其上沉积了一层非常薄的钯。他们应用技术将钯从根本上生长到孔隙中，并抛光表面以去除钯层，将钯金只留在孔隙内。

然后，他们将样品放入定制设备中，在其中流动各种混合物和温度的含氢气体，以测试其分离性能。即使在经历高达 1,000 开尔文的温度超过 100 小时后，膜仍保持稳定并继续将氢气与其他气体分离——与传统的薄膜膜相比有了显着改进。

“钯膜膜的使用通常限制在 800 开尔文左右，此时它们会降解，”Kim 说。“因此，我们的塞子设计将钯金的有效耐热性延长了大约 200 开尔文，并在极端条件下保持更长时间的完整性。”

这些条件都在蒸汽甲烷重整和氨裂解等制氢技术的范围内。

蒸汽甲烷重整是一个成熟的工艺，需要复杂的能源密集型系统来将甲烷预处理成可以提取纯氢的形式。这样的预处理步骤可以用一个紧凑的“膜反应器”代替，甲烷气体将直接流过该反应器，内部的膜将过滤掉纯氢。这样的反应堆将显着减少通过蒸汽甲烷重整生产氢气的尺寸、复杂性和成本，Kim 估计膜必须在高达近 1,000 开尔文的温度下可靠工作。该团队的新膜可以在这种条件下很好地工作。

氨裂解是另一种生产氢气的方法，通过“裂解”或分解氨。由于氨在液态中非常稳定，科学家们设想它可以用作氢气的载体，并安全地运输到氢气站，在那里氨可以被送入膜反应器，膜反应器再次抽出氢气并将其直接泵入燃料电池汽车。氨裂解在很大程度上仍处于试点和示范阶段，Kim 表示，氨裂解反应堆中的任何膜都可能在 800 开尔文左右的温度下运行——在该集团新的基于插塞的设计范围内。

Karnik 强调，他们的结果只是一个开始。将膜采用到工作反应器中需要进一步开发和测试，以确保它在更长的时间内保持可靠。

“我们表明，如果你制造离散化纳米结构，你可以获得热稳定性更高的膜，而不是制造薄膜，”Karnik 说。“它为设计极端温度的膜提供了一条途径，并增加了使用少量昂贵钯的可能性，使氢气生产更加高效和经济。那里有潜力。

这项工作得到了 Eni S.p.A. 通过麻省理工学院能源计划的支持。

这项工作利用了麻省理工学院材料研究实验室 （MRL）、麻省理工学院制造和生产力实验室 （LMP） 和 MIT.nano 的设施。

原文Palladium filters could enable cheaper, more efficient generation of hydrogen fuel | MIT News | Massachusetts Institute of Technology