[发明专利]一种MOCVD制程含氨尾气制氢的催化渗透性膜反应器、其制备方法及其应用

说明书

本发明公开一种MOCVD制程含氨尾气制氢的催化渗透性膜反应器，该膜反应器是由含5～10％(w/w，以下类同)金属钯分散在多孔的γ‑三氧化二铝陶瓷圆管为支撑体，含活性组分钴10～30％与钼5～20％、含助催化组分镧1～10％及含促进剂钾1～5％嵌入于经预处理的碳纳米管(CNTs)中且涂覆于氧化铝陶瓷圆管内壁的膜厚度为10nm～1μm、膜孔径为0.20～10nm所构成的无机碳纳米膜，形成一种同时具备催化活性与分离选择性的催化渗透性膜反应器，MOCVD制程含氨尾气经预处理后进入膜反应器内，反应温度为400～600℃，反应压力为2.0～5.0MPa下进行氨热裂解催化反应，反应产生的富氢气经吸附精制脱氨、变压吸附提纯及金属吸气剂纯化，得到纯度大于6～7N的氢气产品，返回到MOCVD制程中循环使用,为LED产业绿色与循环经济发展填补了空白。

技术领域

本发明属于半导体发光二极管(LED)制造过程中的含氨气(NH₃)废气综合利用的氢气制备技术领域，特别是涉及一种MOCVD(金属氧化物化学气相沉积)含氨尾气制氢的催化渗透性膜反应器及应用。

背景技术

MOCVD(金属氧化物化学气相沉积)制程(设备)作为化合物半导体材料研究与生产的现代化方法与手段，尤其是作为制造新型发光材料-发光二极管(LED)工业化生产的方法与设备，是当今世界生产光电器件和微波器件材料的主要方法及手段，除了LED外，还包括激光器、探测器、高效太阳能电池、光电阴极等，是光电子产业不可或缺的一种方法及设备，其中包括典型的LED GaN外延片生产，其MOCVD外延尾气组成为，N₂:60％(v/v，以下类同)，H₂:25％，NH₃:14％，其余包括金属离子、颗粒物、甲烷(CH₄)、氧气(O₂)及含氧化物，比如一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO₂)、水(H₂O)等。

目前对MOCVD外延尾气中所含NH₃的综合利用方法是，通过先采用水洗获得氨水或通过精馏或吸收等方法获得副产物而得到氨的综合利用。由于液体氨或氨水具有腐蚀性，水洗或吸收或精馏等分离设备需要特殊的防腐措施，成本较高，并且，尾气中的氨气变成了氨水或含氨化合物，不能直接利用。此外，MOCVD外延工艺中仍然需要H₂，而尾气中的氢气含量过低，很难有效地从中回收加以利用。

由于氨分解不会产生碳氧化物(如CO、CO₂)以及氮氧化物(如NO、NOx)并且产氢成本低，是制取燃料电池用氢的有效途径之一。氨气在较低压力下即可液化压缩，利于储存和运输。氨分解制氢催化剂包括Ir、Ru、Ni和Fe等单金属催化剂、Fe-Ni和Fe-Mo等双金属催化剂、FeCx和MoCx等碳化物催化剂以及FeNx和MoNx等氮化物催化剂，其中，以Ru、Fe和 Ni贵金属及过渡金属催化剂为主。催化助剂包括以La、K等稀土或碱金属为主，活性组分载体多为氧化铝、氧化镁等金属氧化物和活性炭、碳纤维(CNFs)、炭纳米管(CNTs)等具有较大比表面积的炭材料。