Мембрану можно использовать в ключевых технологиях получения водорода, таких как паровой риформинг метана и крекинг аммиака.
Мембрана с палладиевыми пробками (слева). Зелёные пунктирные линии очерчивают контур мембраны. Изображение мембраны, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа, показывает палладиевые пробки, встроенные в поры кремниевого носителя (справа).
Массачусетский технологический институт
Инженеры Массачусетского технологического института создали новую палладиевую фильтровальную мембрану для производства водорода.
Серебристый металл палладий считается важнейшим материалом для водородной энергетики. Он действует как «привратник», пропуская только водород и блокируя все остальные газы.
Однако существенным ограничением является температурный порог металла: обычные палладиевые мембраны разрушаются при температуре выше 800 кельвинов.
Новая термостойкая палладиевая мембрана была разработана для преодоления температурных ограничений существующих моделей.
«При дальнейшей работе по масштабированию и проверке производительности в условиях реальных промышленных условий данная конструкция может стать многообещающим путем к созданию практичных мембран для высокотемпературного производства водорода», — сказал Лохьюн Ким, один из авторов исследования.
Новая конструкция мембраны
Говорят, что никакой другой металл не является более эффективным, чем палладий, для отделения водорода от газовых смесей.
Такая эффективность обусловлена его уникальным процессом: палладий естественным образом притягивает молекулы водорода (H2), заставляя их временно распадаться на его поверхности на отдельные атомы.
Эти отдельные атомы водорода затем диффундируют через металл и рекомбинируют на другой стороне в виде чистого H2.
Команда Массачусетского технологического института решила эту проблему термостабильности не путем замены металла, а путем перепроектирования конструкции.
Вместо сплошной пленки новая конструкция состоит из палладия, нанесенного в виде «пробок» в поры поддерживающего материала.
«Плотно прилегающие пробки» сохраняют стабильность и отделяют водород даже при высоких температурах.
Такая конструкция пробки предотвращает усадку или слипание палладия при высоких температурах — деградацию, которая ограничивает обычные пленки.
Для тестирования группа создала мембраны размером с чип, используя структуру кремниевой подложки с порами шириной около 0,5 микрометра, которые затем были заполнены палладием.
Конструкция вилки увеличивает устойчивость на 200 градусов Кельвина
Образцы мембран испытывались с помощью специально изготовленной установки путем пропускания через них водородосодержащих газовых смесей при различных температурах.
Даже после более чем 100 часов при температурах до 1000 кельвинов мембраны сохраняли свою стабильность и эффективность разделения водорода.
Это значительное повышение термостойкости по сравнению с обычными пленочными мембранами.
«Применение палладиевых пленочных мембран, как правило, ограничивается температурой ниже 800 кельвинов, после чего они начинают деградировать», — сказал Ким.
«Таким образом, наша конструкция свечи увеличивает эффективную термостойкость палладия как минимум на 200 кельвинов и гораздо дольше сохраняет целостность в экстремальных условиях», — пояснил автор.
Способность мембраны выдерживать высокие температуры делает ее широко применимой для ключевых технологий получения водорода, таких как паровой риформинг метана и крекинг аммиака.
Эти высокотемпературные технологии предназначены для выработки водорода для производства топлива и электроэнергии с нулевым выбросом углерода.
«Мы показали, что вместо создания пленки, если создавать дискретные наноструктуры, можно получить гораздо более термостабильные мембраны», — сказал Рохит Карник, профессор кафедры машиностроения Массачусетского технологического института.
«Это открывает путь к разработке мембран для экстремальных температур, а также к использованию меньшего количества дорогостоящего палладия, что позволяет сделать производство водорода более эффективным и доступным. В этом есть потенциал», — добавил Карник.
Для обеспечения надежности мембраны необходимы дальнейшие разработки и длительные испытания, прежде чем ее можно будет успешно внедрить в рабочие промышленные реакторы.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Advanced Functional Materials 1 октября.
Sourse: interestingengineering.com
