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科研新成果:添加纳米钻石可以大幅提升氢气分离膜的耐湿性
2022年01月27日 发布 分类:技术前沿 点击量:422
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氢气(H2)作为一种清洁能源近年来是越来越受到青睐。目前,金属膜、多孔无机膜和聚合物膜被工业化地用于氢气分离,但价格和分离性能影响,它们并不适合以低成本生产高纯度的氢气。

作为这一问题的解决方案,使用二维膜材料的物理氢气分离技术近年来引起了广泛关注通过堆叠和压缩氧化石墨烯(graphene oxide, GO)纳米片制成的GO分离膜(下图),具有从许多气体混合物(包括二氧化碳和氧气)中分离氢气的突出能力,其分离潜力比目前工业上使用的聚合物膜高出10倍。

GO膜的AFM图像

GO膜的AFM图像

然而,由于GO纳米片与水的高亲和力,传统的GO分离膜有一个致命的缺点,就是对水敏感。这使得它们极难应用于化石来源的氢气生产过程,因为在这些过程中会产生包括水蒸气在内的混合气体。为了解决这个问题,全世界都进行了深入的研究

近期,京都大学、高辉度光科学研究中心及量子科学技术研究开发机构组成研发团队就有针对性地通过在氧化石墨烯膜添加带有负电荷的纳米钻石(Nanodiamond; ND)制备出了一款可抑制初期劣化堪称目前全球最高水平的氢气分离膜。添加纳米钻石的意义在于,由于纳米钻石自带负电荷因此可以消除膜上的正电荷,抵销静电排斥,防止原料气体中含有的水分子入侵分离孔内,避免膜受到扩张破坏,进而实现膜构造的安定化。

氢气分离膜

测试中,该材料用于天然气的水蒸气改质工程上,同时能分离二氧化碳。经100小时的实证,氢气的穿透性与筛选性低下状况分别是5%、10%,远低于既有材料的55%、70%,可望应用于环保且成本较低的氢气制程上。研究中使用的纳米钻石粒径5 nm,价格低廉,不管是正极还是负极都可以携带电荷。分离膜中添加量30%的情况下,筛选性能上与未添加的分离膜同等,但穿透性最高可提升4倍。此外这项技术可应用于提高内含氧化石墨烯的零件的耐湿性。

 

研究结果网址:

https://www.jst.go.jp/pr/announce/20211217/index.html

 

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