2022年6月2日，Nano Research Energy()编委，北京航空航天大学水江澜教授发表题为 “Inorganic microporous membranes for hydrogen separation: challenges and solutions”的最新综述，该综述全面介绍了用于氢气分离的无机微孔膜最新研究进展。
图1. 用于储氢提纯的四种无机微孔膜
氢气是氢能的载体，是实现“碳中和”目标的关键材料。目前，全球90%以上的商用氢气是通过化石燃料重整制取，产生的气体通常含有N2、CO 、CH4、CO2等杂质，难以满足半导体、航空航天燃料、燃料电池等应用的要求，因此对这类粗氢进行分离提纯十分必要。氢气提纯的主要方法包括变压吸附（PSA）、低温分离、金属氢化物分离和膜分离。PSA是利用固体吸附剂（如沸石和硅胶）对不同极性气体的压力依赖性吸附实现氢气分离。在高压下，极性杂质气体被吸附，非极性氢分子在吸附柱顶部被回收，纯度达到99.999%。PSA是业内成熟且流行的技术之一，但氢气回收率较低（~75%）。低温分离可分为低温冷凝和低温吸附，两者都利用了氢气具有超低沸点的特性。前者将低沸点杂质冷凝成液相，而后者通过吸附剂选择性地吸附杂质。低温分离技术适用于99%中等纯度的大规模氢气分离，但由于设备投资大、能耗高，限制了其广泛应用。金属氢化物对氢气具有较高的选择性，利用储氢材料吸附分离H2，具有纯度高、操作简单、能耗低、材料成本低等优点，但通常会出现氢气释放不完全，气体处理能力小，难以实现规模化生产。
与上述三种方法相比，微孔膜分离技术具有环保、节能、操作简单、成本低等优点，是一种极具竞争力的粗氢提纯技术。随着材料明升体育app和明升手机明升体育app的蓬勃发展，无机微孔膜氢气分离技术在近些年取得了很大进展。1960 年代，杜邦率先使用聚酯中空纤维膜分离 H2/He。1990年，明升官网明升体育app院大连明升手机物理研究所研制出聚砜复合中空纤维膜，可从含氢量仅为40%～60%的催化裂化气中回收氢气，回收率达85%以上。近年来，通过优化制备工艺，大大提高了传统膜的性能，氢分离膜材料取得了很大的进展。一些新的膜材料和加工技术不断涌现，为氢分离膜的设计和制备提供了启示，代表性材料如金属有机框架 (MOF)、氧化石墨烯和 MXene 纳米片已用于氢分离。根据分离机理，分离膜可分为微孔膜和致密无孔膜。基于溶液扩散机制的致密膜可以实现对 H2 的无限选择性，但受到气体渗透率低的限制。微孔膜由于其孔隙率高、孔结构明确、孔径分布窄等优点，目前在气体分离中得到广泛应用。高质量和高耐久性对于微孔膜的实际应用至关重要。然而，合成结构完整且稳定的膜是一个巨大的挑战。
本文综述了氢气分离无机微孔膜在设计和制备方面的最新进展，重点介绍了提升膜结构完整性、连续性和稳定性的合成策略。作者简要介绍了三种膜分离机制，具体阐述了沸石膜、二氧化硅膜、碳膜和金属有机骨架膜在合成方面的挑战和相应的解决对策。最后，本文对超薄二维微孔膜的发展进行了展望。
相关论文信息：
Ahui Hao, Xin Wan, Xiaofang Liu, Ronghai Yu, Jianglan Shui. Inorganic microporous membranes for hydrogen separation: challenges and solutions. Nano Res. Energy 2022, DOI: 10.26599/NRE.2022.9120013.
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