[发明专利]一种氢气分离提纯膜及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种氢气分离提纯膜及其制备方法和应用。本发明的氢气分离提纯膜，包括自上而下依次层叠设置的氢解离层、氢扩散层和氢重组层，所述氢扩散层为基底层，所述氢解离层和氢重组层均为碳化钼薄膜；特别是，所述碳化钼薄膜中的碳化钼为晶态结构。本发明的氢气分离提纯膜提高了氢分离和提纯时的氢渗透性能并降低了使用成本，为实现新型、廉价、高效和稳定的氢气分离和提纯提供了新的选择。

技术领域

本发明涉及氢气分离技术领域，尤其是涉及一种氢气分离提纯膜及其制备方法和应用。

背景技术

当前，能源问题与环境问题成了制约工业发展的主要因素，氢能因具有储量大、热值高等诸多优点从而在新能源领域备受瞩目。由于半导体、氢能源汽车、航空航天等众多领域对使用的氢气纯度要求至少为99.999％，因此迫切需要寻找一种高效、廉价、可循环的方法以获取高纯氢。

目前，高纯氢主要通过变压吸附或低温蒸馏法获取，而膜分离法是当前最有效的氢气提纯技术，其中滤氢钯膜已经在氢气分离和提纯领域得到广泛应用。然而，钯金属属于贵金属元素，资源稀缺且价格昂贵，且低温下容易发生氢脆，因此目前金属基渗氢膜的研究致力于复合膜的研究以及寻找同样具有类Pd催化解离性质的表面催化膜。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氢气分离提纯膜及其制备方法和应用，该氢气分离提纯膜提高了氢分离和提纯时的氢渗透性能并降低了使用成本。

本发明提供一种氢气分离提纯膜，包括自上而下依次层叠设置的氢解离层、氢扩散层和氢重组层，所述氢扩散层为基底层，所述氢解离层和氢重组层均为碳化钼薄膜。

研究发现，碳化钼薄膜具有一定的与氢结合的催化能力，并且具有类似于Pd的氢解离催化能力，比一些过渡族金属元素和贵金属更接进Pt族元素，良好的氢结合能与交换电流密度表明其是可替代Pd的潜在催化剂。本发明的氢气分离提纯膜在基底层的两侧施镀碳化钼薄膜，在提供氢解离/重组性能的同时大大降低了使用成本。

优选地，所述碳化钼薄膜中的碳化钼为晶态结构；即，所述碳化钼薄膜为晶态碳化钼薄膜。研究发现：晶态结构的碳化钼薄膜能够提高氢在纳米晶界中的传输速率，从而使得渗氢性能大幅上升。

离子束溅射技术是在较高真空下(～10^-2Pa)，从离子源激发出的高能氩等离子体对Mo₂C靶材进行轰击，激发出来大量的高能Mo和C溅射粒子，这些粒子高速运动到达V基底并沉积在上面形成Mo₂C/V复合膜。在离子束溅射过程中，从离子源激发出的高能氩等离子体是以一定入射角对靶材进行轰击，入射的氩离子与被溅射出来的靶材原子的飞行轨迹没有交集，不容易出现因联级碰撞产生的原子团簇，有利于形成排列规则的原子级高品质薄膜。其次，离子束从远距离轰击靶材，两者相对独立，没有磁控溅射过程中涉及的氩等离子体区，也不存在未离化的气体分子，而且工作气压要求的真空度更高，相较于磁控溅射高出两个数量级，因此可避免气体夹杂产生的薄膜氧化等缺陷。

本发明对晶态结构碳化钼薄膜的施镀方式不作严格限制。在一实施方式下，可以通过在离子束溅射时控制基底温度为400℃以上来获得晶态结构的碳化钼薄膜；更具体地，基底温度可以控制为400-600℃；此时，对基底负偏压不作严格限制，例如可以为0-500V。

在另一实施方式下，也可以通过在离子束溅射时控制基底负偏压为300 V以上来获得晶态结构的碳化钼薄膜；更具体地，基底负偏压可以控制为 300-500V；此时，对基底温度不作严格限制，例如可以为20-600℃。

本发明对所述碳化钼薄膜中Mo与C的摩尔比不作严格限制，例如可以为(1-5):(1-3)，进一步为(1-4):(2-3)；在一实施方式中，碳化钼薄膜中Mo与C的摩尔比为2：1，此时可以选择Mo₂C作为材料。