WPI研发多层液态金属膜优化氢气分离成本及能效


盖世汽车讯 据外媒报道,伍斯特理工学院(Worcester Polytechnic Institute,WPI)研发了一款全新的多层液态金属膜(SLiMM),用于氢气分离(hydrogen separation)。该薄膜由三层不同材质构成,有些类似三明治。该款分离膜(Separation membrane)掌握了降低氢燃料成本的关键。

据研究人员透露,该薄膜由液态金属制成,似乎在氢气分离方面,比常规钯隔膜(palladium membranes)的能效表现要好,且其价格相对低廉,耐用性更高。

据WPI团队透露,在500℃、Pa0.5的条件下,镓/碳化硅(Ga/SiC)SLiMM的渗透率达到2.75 x 10-7 mol/ms,比相似条件下钯(Pd)的渗透率高了35倍,该产品在氢气提纯应用方面具有极大的潜力。

长久以来,工程师就意识到氢能的重要性及局限性,而氢恰恰是宇宙中含量最富足的一种元素。自然环境中的氢气易于其他元素发生反应:与氧气发生反应后会生成水。为获得纯氢,务必将其于上述分子相分离。

市面上的大部分氢气分离膜均采用了贵金属——钯(palladium),其氢气溶解度(hydrogen solubility)及渗透率都极高,这意味着氢气可轻易溶解并穿透金属,而其他气体将被其隔离。然而,钯金属太贵了,当前售价约为900美元/盎司,且该材质较为易碎。

为此,许多化学工程师长期致力于各项研究,旨在寻找钯的替代品,但到目前为止,尚未找到适合的替代材料。而WPI研究为其指明了方向,采用液态金属。


在标准操作温度下,蒸汽重整制氢系统(steam reforming systems,约500℃)内的许多金属与合金均为液态,且大部分材料价格远不如钯那么昂贵。此外,若采用液态金属膜,不易产生产品缺陷或出现开裂的情况。

许多研究人员将关注点放在降低氢气的成本上,力图在提升钯膜品质的同时降低其厚度。业内及美国能源部投入了大量资金,研发了一项新工艺,将钯与多孔钢管相结合,使钯层(palladium layer)的厚度仅为5-10毫米。

然而,将钯层做薄会提升薄膜的流量(flux)、提升纯氢的渗透率。但若薄膜太薄,会变得易碎或存在缺陷。

六年前,WPI的化学工程师Datta携其弟子开始相关研究,旨在确定液态金属是否能克服部分钯金属的局限性,特别是高昂的成本及易碎的材料特质,若有可能的话,力图实现超强的氢气溶解度及渗透。

美国能源部向该研究团队拨付了100万美元。此后,该研究团队决定尝试采用镓来替代钯。镓是一种无毒金属(nontoxic metal),在室温下呈现液态。

尽管液态镓(liquid gallium)在氢气分离应用上前景喜人,但仍面临一定的挑战——该团队发现,该金属将于大量陶瓷材料(ceramic materials)发生反应,而后者是钯膜的支持材料。

通过建模与实验,他们整理了一份材料清单,其中涉及石墨及碳化硅等碳基材料(carbon-based material),上述材料不会与液态镓发生化学反应,但容易被液态金属沾湿,这意味着该金属将摊开,在支持材料(support materials)的表面形成一层薄膜。

该研究团队意识到,由于液态金属的表面张力(surface tension)可能会因为表面温度的变化及其所暴露的气体而发生改变,有可能导致泄漏,他们决定在两层材料中间插入金属,创建一种类似三明治结构的液态金属膜(SLiMM)。该薄膜由厚度为0.2毫米的液态镓层、碳化硅层及石墨层构成,液态镓层被夹在碳化硅层与石墨层中间。目前,该团队在实验室中构建了该薄膜架构,正在测试其稳定性及氢气渗透率。

黑科技 前瞻技术

 
 
®关于本站文章™ | 若非注明原创,默认 均为网友分享文章,如有侵权,请联系我们™
㊣ 本文永久链接: WPI研发多层液态金属膜优化氢气分离成本及能效