Наноструктурированные мембранные материалы для получения высокочистого водорода
Ключевые слова:
палладийсодержащие мембраны, наноструктурированная поверхность, наночастицы, лимитирующая стадия, водородопроницаемость, высокочистый водород, мембранный реакторАннотация
Мембраны на основе Pd используют для отделения и очистки водорода в реакторах парового риформинга. Однако при достаточно низких температурах (менее 200°С) проникающий поток водорода через мембраны может быть ограничен кинетикой поверхностных процессов. В настоящем исследовании для интенсификации потока водорода разработанные мембраны сплава Pd-Ag-Ru были активированы наноструктурированным модифицирующим покрытием. Такое покрытие состояло из осажденных на поверхность мембраны Pd-наночастиц, способных значительно увеличить активную площадь поверхности. Значительная интенсификация потока водорода наблюдалась во всем исследуемом диапазоне температур (25-100 °С) и наивысшие значения плотности проникающего потока были продемонстрированы для модифицированных мембран– до 6,3 ммоль с–1 м–2 при 100°С. Такой результат обусловлен увеличенным количеством активных центров на поверхности мембраны, реакционноспособных по отношению к водороду. Поверхностная активация способствуюет снижению активационных барьеров и усилению каталитической активности. Разработанные мембраны также продемонстрировали высокую и стабильную селективность в течении длительного времени. Стратегия модификации мембранных материалов наноструктурированными покрытиями может пролить новый свет на разработку и производство долговечных и высокоселективных мембран на основе палладия для реакторов парогазового риформинга.
Библиографические ссылки
Библиографический список
1. Sun C., Zheng X., Bai B. Hydrogen purification using nanoporous graphene membranes and its economic analysis // Chemical Engineering Science. – 2019. – V. 208. – P. 115141. DOI: 10.1016/j.ces.2019.07.059.
2. Recent advances in membrane technologies for hydrogen purification / G. Bernardo, T. Araújo, T. da Silva Lopes et al. // International Journal of Hydrogen Energy. – 2020. – Vol. 45, Is. 12. – P. 7313-7338. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2019.06.162.
3. Recent advances on membranes and membrane reactors for hydrogen production / F. Gallucci, E. Fernandez, P. Corengia, M. van Sint Annaland // Chemical Engineering Science. – 2013. – V. 92. – P. 40-66. DOI: 10.1016/j.ces.2013.01.008.
4. The recent areas of applicability of palladium based membrane technologies for hydrogen production from methane and natural gas: A review / S.M. Jokar, A. Farokhnia, M. Tavakolian et al. // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – Vol. 48, Is. 16. – P. 6451-6476. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2022.05.296
5. Steam Conversion of Ethane and Methane–Ethane Mixtures in a Membrane Reactor with a Foil Made of a Pd–Ru Alloy / L.P. Didenko, V.N. Babak, L.A. Sementsova et al. // Membranes and Membrane Technologies. – 2023. – Vol. 5. – P. 69-79. DOI: 10.1134/S2517751623020038.
6. Point-defect modulation of hydrogen migration in Pd−based membranes / H. Luo, W. Liu, Y. Ma et al. // Journal of Membrane Science. – 2025. – Vol. 713. – P. 123285. DOI: 10.1016/j.memsci.2024.123285
7. Mamivand S., Binazadeh M., Sohrabi R. Applicability of membrane reactor technology in industrial hydrogen producing reactions: Current effort and future directions // Journal of Industrial and Engineering Chemistry. – 2021. – Vol. 104. – P. 212-230. DOI: 10.1016/j.jiec.2021.08.029.
8. Zhang K., Way J.D. Palladium-copper membranes for hydrogen separation // Separation and Purification Technology. – 2017. – Vol. 186. – P. 39-44. DOI: 10.1016/j.seppur.2017.05.039.
9. Chen W.-H., Kuo P.-C., Lin Y.-L. Evolutionary computation for maximizing CO2 and H2 separation in multiple-tube pal-ladium-membrane systems // Applied Energy. – 2019. – Vol. 235. – P. 299-310. DOI: 10.1016/j.apenergy.2018.10.106.
10. Advances in hydrogen selective membranes based on palladium ter-nary alloys / M.L. Bosko, A.D. Fontana, A. Tarditi, L. Cornaglia // International Journal of Hydrogen Energy. – 2021. – Vol. 46. – P. 15572-15594. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2021.02.082.
11. Tailoring the hydrogen transport properties of highly permeable Nb51W5Ti23Ni21 alloy membrane by Pd substitution / K. Zhu, X. Li, Y. Zhang et al. // International Journal of Hydrogen Energy. – 2022. – Vol. 47. – P. 6734-6744. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2021.12.021.
12. The influence of modifying nanoflower and nanostar type Pd coatings on low temperature hydrogen permeability through Pd-containing membranes / I. Petriev, P. Pushankina, S. Bolotin et al. // Journal of Membrane Science. – 2021. – Vol. 620. – P. 118894. DOI: 10.1016/j.memsci.2020.118894.
13. Mechanisms of formation and shape control of pentagonal Pd-nanostars and their unique properties in electrocatalytic methanol oxidation and membrane separation of high-purity hydrogen / I.S. Petriev, P.D. Pushankina, G.A. Andreev, A.B. Yaroslavtsev // International Journal of Hydrogen Energy. – 2024. – Vol. 70. – P. 404-413. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2024.05.201.
References
1. Sun, C., Zheng, X., & Bai, B. (2019). Hydrogen purification using nanoporous graphene membranes and its economic analysis. Chemical Engineering Science, 208, 115141. https://doi.org/10.1016/j.ces.2019.07.059.
2. Bernardo, G., Araújo, T., da Silva Lopes, T., Sousa, J., & Mendes, A. (2020). Recent advances in membrane technologies for hydrogen purification. International Journal of Hydrogen Energy, 45, 12, 7313-7338. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.06.162.
3. Gallucci, F., Fernandez, E., Corengia, P., & van Sint Annaland, M. (2013). Recent advances on membranes and membrane reactors for hydrogen production. Chemical Engineering Science, 92, 40-66. https://doi.org/10.1016/j.ces.2013.01.008.
4. Jokar, S.M., Farokhnia, A., Tavakolian, M., Pejman, M., Parvasi, P., Javanmardi, J., Zare, F., Gonçalves, M. C., & Basile, A. (2023). The recent areas of applicability of palladium based membrane technologies for hydrogen production from methane and natural gas: A review. International Journal of Hydrogen Energy, 48, 16, 6451-6476. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.05.296.
5. Didenko, L.P., Babak, V.N., Sementsova, L.A., Dorofeeva, T.V., Chizhov, P.E., & Gorbunov, S.V. (2023). Steam Conversion of Ethane and Methane–Ethane Mixtures in a Membrane Reactor with a Foil Made of a Pd–Ru Alloy. Membranes and Membrane Technologies, 5, 69-79. https://doi.org/10.1134/S2517751623020038.
6. Luo, H., Liu, W., Ma, Y., Xiao, D., Chen, B., Liu, Y., & Liang, C. (2025). Point-defect modulation of hydrogen migration in Pd−based membranes. Journal of Membrane Science, 713, 123285. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2024.123285.
7. Mamivand, S., Binazadeh, M., & Sohrabi, R. (2021). Applicability of membrane reactor technology in industrial hydrogen producing reactions: Current effort and future directions. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 104, 212-230. https://doi.org/10.1016/j.jiec.2021.08.029
8. Zhang, K., & Way, J.D. (2017). Palladium-copper membranes for hydrogen separation. Separation and Purification Technology, 186, 39-44. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2017.05.039.
9. Chen, W.-H., Kuo, P.-C., & Lin, Y.-L. (2019). Evolutionary computation for maximizing CO2 and H2 eparation in multiple-tube pal-ladium-membrane systems. Applied Energy, 235, 299-310. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2018.10.106.
10. Bosko, M.L., Fontana, A.D., Tarditi, A., & Cornaglia, L. (2021). Advances in hydrogen selective membranes based on palladium ter-nary alloys. International Journal of Hydrogen Energy, 46, 15572-15594. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.02.082.
11. Zhu, K., Li, X., Zhang, Y., Zhao, X., Liu, Z., & Guo, J. (2022). Tailoring the hydrogen transport properties of highly permeable Nb51W5Ti23Ni21 alloy membrane by Pd substitution. International Journal of Hydrogen Energy, 47, 6734-6744.
https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.12.021.
12. Petriev, I., Pushankina, P., Bolotin, S., Lutsenko, I., Kukueva, E., & Baryshev, M. (2021). The influence of modifying nanoflower and nanostar type Pd coatings on low temperature hydrogen permeability through Pd-containing membranes. Journal of Membrane Science, 620, 118894. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2020.118894.
13. Petriev, I.S., Pushankina, P.D., Andreev, G.A., & Yaroslavtsev, A.B. (2024). Mechanisms of formation and shape control of pentagonal Pd-nanostars and their unique properties in electrocatalytic methanol oxidation and membrane separation of high-purity hydrogen. International Journal of Hydrogen Energy, 70, 404-413. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.05.201.
Загрузки
Опубликован
Как цитировать
Выпуск
Раздел
Категории
URN
Лицензия
Copyright (c) 2024 Симонов А.И., Пушанкина П.Д., Петриев И.С.
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial-NoDerivatives» («Атрибуция — Некоммерческое использование — Без производных произведений») 4.0 Всемирная.
