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    鈀與釩牽手!俄羅斯教授發(fā)現(xiàn)提純氫氣的最佳搭檔

    2024-07-25 瀏覽數(shù):377

    氫是未來能源之光,同時也是參與工業(yè)流程用于減碳的要素。但是在自然界中幾乎找不到純氫,我們不得不采用各種化學(xué)方法,從化合物

    氫是未來能源之光,同時也是參與工業(yè)流程用于減碳的要素。但是在自然界中幾乎找不到純氫,我們不得不采用各種化學(xué)方法,從化合物中提取純氫。

    提純氫氣成為氫能產(chǎn)業(yè)中一大關(guān)鍵技術(shù)。為了實現(xiàn)這一目標,人類已經(jīng)想出來了各種工藝路徑。其中提純效果最好的是金屬膜,常用到的金屬是鈀,但這種金屬實在是太稀有了,比常常被抱怨含量稀少的催化劑貴金屬鉑還要稀少。

    克服這種價格上的惆悵,需要的是找到“平替”。近日俄羅斯教授Alexander Livshits找到了一種新路徑,讓兩種金屬攜手,一方面保持了氫提純效率,同時還大大降低成本。

    邦奇-布魯耶維奇大學(xué)Alexander Livshits教授

    為什么要將氫氣提純?

    目前氫能產(chǎn)業(yè)中氫燃料電池的應(yīng)用大家耳熟能詳,但是大家可能并不太了解的是氫燃料電池對氫氣質(zhì)量的要求很高,必須將氫氣提純到所需參數(shù),才能應(yīng)用于此。

    ?提高氫氣的純度,是為了?確保其安全性和有效性。自然界純氫幾乎不存在,即使是人們所熟知的各種綠氫制取過程,包括堿式、PEM、AEM等,生產(chǎn)過程所產(chǎn)生的也是富含氫的混合氣體。除了氫氣之外,還包括水份、?氧氣、?氮氣以及一些雜質(zhì)。

    氫氣不純會有什么安全隱患?以氫氣在發(fā)電機中用于冷卻這一特性來說,如果純度異常,可能會因為雜質(zhì)中的水分吸附在絕緣層上,?誘發(fā)發(fā)電機絕緣事故,也可能會因為雜質(zhì)中的氧氣占比過高,從而引發(fā)爆炸。?

    氫燃料電池也要求必須使用高純度的氫氣。?在相關(guān)標準中,氫燃料電池中?對氫氣的純度要求非??量蹋?遠高于工業(yè)高純氫和超純氫的純度要求。這是因為雜質(zhì)過多?會導(dǎo)致燃料電池催化劑中毒,?從而降低電池的效率和壽命。?此外,?這些雜質(zhì)還可能導(dǎo)致燃料電池堵塞、?性能下降,影響電池的正常運行,?甚至損壞燃料電池。

    目前具體來看,?氫氣的純度要求如下:高壓電解過程中產(chǎn)生的氫氣,?其純度要求達到99.999%(?五個九)?或更高。?作為發(fā)電機的氫氣燃料時,?一般要求氫氣純度達到99.99%~99.999%(?兩到五個九)?。

    氫氣提純的基本技術(shù)原理包括吸附和膜分離。其中吸附法的原理是根據(jù)原料氣中不同雜質(zhì)種類,選取不同的吸附劑。吸附常常是作用于雜質(zhì),通過各種吸附劑將雜質(zhì)“提”走。膜分離技術(shù)則可以通過將氫氣“提”走的方式來提純,作用于氫氣的提純效果最強悍的就是金屬膜提純分離法。

    金屬膜提純氫氣主要依賴于氫氣通過致密金屬膜的傳輸原理,這一傳輸過程包括幾個步驟。?氫氣在金屬界面上的分離吸附,?原子氫被吸附到金屬中并進行擴散,?原子氫重新結(jié)合形成分子氫。也就是說金屬膜因其獨特的物理和化學(xué)特性,使得這一過程同時兼具吸附和分離的雙重優(yōu)勢。

    各種氫氣提純膜材料對比表

    金屬鈀(Pd)對分子氫的解離具有更強的催化活性,?對原子氫的滲透率也更高。?以鈀為基礎(chǔ)的膜幾乎具有無限的選擇性,?可以生產(chǎn)出純度高達99.99999%的超純氫。不過目前金屬鈀膜的氫氣提純還沒有完全實現(xiàn)商業(yè)化。

    一位認真為鈀尋找小伙伴的教授

    如何為提純效果優(yōu)秀的鈀金屬膜獲得更多的商業(yè)化應(yīng)用空間?一些科學(xué)家在想辦法,他們將合金路徑引入氫氣提純。A. Livshits教授是這一領(lǐng)域的佼佼者,他的最新發(fā)現(xiàn)將把氫氣提純的金屬膜應(yīng)用找到更合適的商業(yè)化路徑。

    A. Livshits是俄羅斯邦奇-布魯耶維奇大學(xué)(Bonch-Bruevich University)教授,他是物理學(xué)和數(shù)學(xué)博士,已撰寫了150多篇科學(xué)論文,其中大部分發(fā)表在排名前四分之一的國際頂尖期刊上。

    1993年至2010年間,A. Livshits教授曾在國外多所大學(xué)擔(dān)任客座教授,包括巴黎綜合理工學(xué)院、名古屋大學(xué)、東京大學(xué)、日本國立聚變科學(xué)研究所和氫同位素研究中心。在工作過程中,他參與了歐洲原子能共同體發(fā)起的若干項目的共同管理,并共同主持了日本的國際科學(xué)項目和國家研究計劃。

    近年來,A. Livshits教授一直負責(zé)監(jiān)督主要研究中心委托的研發(fā)項目,包括庫爾恰托夫研究所和俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院布德科爾核物理研究所。

    從他的經(jīng)歷可以看到,他的主要研究領(lǐng)域是核物理。正是在其研究工作中,他發(fā)現(xiàn)了一種全新物理現(xiàn)象:金屬膜對超熱氫粒子具有超滲透性。

    在核物理研究中,一條科學(xué)研究路徑是模擬太陽內(nèi)部的超熱氫離子狀態(tài)。因為在太陽內(nèi)部溫度非常高,使得原子內(nèi)部的電子都被擠掉,只留下了正電荷的離子,這些離子彼此碰撞,釋放出了大量的能量,形成等離子體反應(yīng),從而維持了太陽的亮度和熱量。

    他對氫能匯介紹說:“我研究氫在金屬膜中的傳輸已有多年,這是我專業(yè)工作的一部分?!?/p>

    正是在對超熱氫離子的研究中,A. Livshits教授發(fā)現(xiàn)金屬膜在超熱氫離子中的超滲透性:厚度為1毫米的金屬膜幾乎能讓每一個落在其表面、能量至少為1 eV的氫離子通過,而在常規(guī)條件下,氫分子從相同尺寸的金屬膜表面通過的比率僅為1 eV的千萬分之一。

    換句話說,對于超熱氫離子來說,這一層超滲透膜就如同虛空,而且能順利將所有氫離子順利提走。這一發(fā)現(xiàn)主要用于熱核反應(yīng)堆的燃料循環(huán)。為此,俄羅斯、德國、美國和中國正在積極地進行準備工作,將這一發(fā)現(xiàn)應(yīng)用于核物理實踐中。

    這一發(fā)現(xiàn)不僅給核物理帶來了一個新的方向,同時也為氫氣提純提供了一嶄新路徑。

    鈀釩合金將金屬膜的功能發(fā)揮到極致

    由于氫能是以普通熱氫氣為基礎(chǔ),因此無法直接利用A. Livshits教授所提出的超滲透膜技術(shù)。但是普通熱氫氣可以利用貴金屬鈀來做滲透介質(zhì)。鈀的分離功能卓著,在一定溫度下,氫分子在鈀膜上電離為質(zhì)子和電子,然后在濃度梯度的作用下擴散至低氫分壓側(cè),并在鈀膜表面重新耦合為氫分子。這一非凡能力讓它成為氫氣提純的高手。

    A. Livshits教授在持續(xù)的研究和實驗過程發(fā)現(xiàn),相較于鈀膜,在使用釩膜時氫的傳輸也可以達到創(chuàng)紀錄的速度。但是釩不具備將氫分子解離的作用。A. Livshits教授認為,鈀金屬的氫解離功能不能忽視,于是他和他的團隊為氫能工業(yè)開發(fā)了一種由釩合金制成的特殊膜:釩在中間,上下兩面覆有微米級的鈀層。

    他研發(fā)的這種特殊膜中的鈀含量,只有其他使用鈀的商業(yè)化膜中鈀含量的5-10%,因為釩在地殼中含量比較豐富,其價格是和銅相類比的級別,從而大大降低了金屬膜的成本。

    不僅如此,這種鈀和釩“牽手”制成的膜,比普通膜產(chǎn)品的生產(chǎn)率高出數(shù)倍!

    更加神奇的是,這種合金還摒棄了釩金屬的弱勢。A. Livshits教授解釋說:“釩在常壓或更高壓力下容易溶解氫氣,從而這種金屬會變得膨脹且易脆。但是當(dāng)把少量鈀金覆蓋于釩,這種合金將對氫的溶解度降低到最低值。”

    A. Livshits教授說:“釩鈀兩者的牽手讓我們得到了一種高效的膜,它在氫氣方面性能可靠,價格低廉,并且具有100%的選擇性。”

    成本的大幅降低為這一合金膜開辟了廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域,以前只能用于半導(dǎo)體行業(yè)的純氫提取,在成本大大降低之后,可以在加氫站以及其他為氫基礎(chǔ)設(shè)施提供原料的大型設(shè)施中使用。

    此外,這種膜在石化工業(yè)中也很有潛力,以前在煉油(石油加氫處理)過程中生產(chǎn)純氫常常使用吸附法,這一方法能耗巨大且操作不便,使用鈀釩合金膜這一技術(shù)可以從工業(yè)生產(chǎn)的氫氣中獲取燃料電池所需的超純氫。

    A. Livshits教授表示:“我們離廣泛使用氫燃料汽車僅一步之遙,薄壁管狀鈀和釩合金膜的使用將促進超純氫的生產(chǎn)和氫能的開發(fā)?!?/strong>

    氫燃料電池汽車進一步研發(fā)與量產(chǎn)化,正在成為全球汽車工業(yè)領(lǐng)域的一場新革命,同時也將給氫能產(chǎn)業(yè)帶來更活躍的商業(yè)化應(yīng)用空間。A. Livshits教授希望能與中國企業(yè)合作,讓這一技術(shù)能在氫能產(chǎn)業(yè)蒸蒸日上的中國獲得更大范圍的應(yīng)用。


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