我國學者開發出高性能新構型鈀復合膜

　　近日，中國科學院大連化學物理研究所碳資源小分子與氫能利用創新特區研究組研究員李慧和復合氫化物材料化學研究組研究員陳萍、副研究員柳林團隊合作，開發了高性能指型和空隙結構不銹鋼鈀復合膜，可滿足燃料電池氫源快速啟動的要求；將該不銹鋼鈀復合膜用于氨分解膜反應器制氫，氨分解完全轉化溫度顯著降低。

(a)指型和空隙結構鈀復合膜和氨分解膜反應器示意圖；(b)氨分解鈀膜反應器在673 K下200 h長期穩定性實驗

　　用于氫氣分離的金屬鈀膜分離具有小型、靜音、緊湊的優點，屬于燃料電池氫源關鍵技術，可與液態陽光燃料（如甲醇重整或氨分解等）相結合，實現氫氣的“現產現用”。液態燃料制氫耦合鈀膜純化技術可以解決氫氣的儲運和安全難題，在通訊基站電源、液態陽光加氫站現場制氫、氫能重卡以及無人機等領域有廣泛的應用前景。與陶瓷鈀復合膜相比，不銹鋼鈀復合膜具有機械強度大、簡單密封等優點，可滿足小型移動應用領域的需求。

　　針對高性能不銹鋼鈀復合膜開發的難題，該研究團隊首次提出指型加空隙結構的不銹鋼鈀復合膜設計，可以保證在快速升降溫過程中金屬鈀膜的自由伸縮，并避免不銹鋼基底與金屬鈀膜接觸造成膜結構的破壞。該新構型不銹鋼鈀復合膜能實現連續2000 h的長期穩定運行，而且在模擬燃料電池使用條件下實現了多個快速升降溫循環，滿足燃料電池氫源快速響應的要求。另外，空隙結構顯著降低了多孔載體的滲透阻力，透氫速率達到2.1E-6 mol/（m2*s*Pa），H2/N2選擇性達到16000。將高性能指型不銹鋼鈀復合膜與高效氨分解催化劑Ru/MgO相結合，形成膜反應器，可將氨分解的完全分解溫度從文獻中的748 K以上降低到673 K（氨分解轉化率為99.8%），且實現200 h連續穩定運行，表明該膜反應器具備一定的車載應用潛力。

　　此前，針對鈀復合膜產業化應用中的關鍵問題，該研究團隊提出缺陷原位修復新路線，開發多項鈀復合膜制備新技術，并系統研究合成氣成分對鈀膜透氫性能的影響，受邀撰寫了2篇綜述(J. Mater. Chem. A，2016，4，14069；Chem. Eng. Sci.，2015，127，401)。該研究團隊于2019年在張家港產研院率先建成規模化(MW級)不銹鋼鈀復合膜產線，成本僅為國外同類不銹鋼鈀復合膜的1/10，目前已實現甲醇重整、鈀膜純化與氫氧燃料電池的10 kw系統集成測試，以及液態陽光加氫站的產氫技術示范（20 kg/d）。

　　相關成果以全文形式發表于《化學工程雜志》（Chem. Eng. J.）。該工作得到中科院百人計劃（結題優秀）、國家自然科學基金、科技部重點領域創新團隊和中科院盧嘉錫國際團隊項目的支持。