一种用于氢气分离的碳化锆膜及其制备方法技术

本发明专利技术涉及氢气提纯技术领域，具体涉及一种用于氢气分离的碳化锆膜，包括从上至下依次堆叠的用于对氢气进行解离的解离层、用于对氢原子进行扩散的扩散层和用于对氢原子进行重组的重组层，所述解离层和所述重组层均为碳化锆薄膜，并按照步骤一步骤四的方法制备，高温环境下具有良好的稳定性和渗氢性能，成本较低，在高纯氢生产领域具备良好的市场前景。

【技术实现步骤摘要】
一种用于氢气分离的碳化锆膜及其制备方法
本专利技术涉及氢气提纯
，具体涉及一种用于氢气分离的碳化锆膜及其制备方法。
技术介绍
由于高纯的氢能源具有清洁环保、自动再生、高温高能的优点，它广泛的应用于电子工业、航空航天、石油化工、及汽车业等领域，所以高效、低成本的制备高纯氢具有重要意义。工业上常用的制氢方法是水电解法、燃气重整法和烃类裂解法这三种方法，但是这样方法得到的氢气纯度太低，无法大规模使用，因此，对于氢气提纯技术就至关重要了。氢气提纯方法有变压吸附法、低温蒸馏法和膜分离法，其中膜分离法具有操作简单、节省资源、成本低廉、效率较高等优点，因此现在工业上应用最多的提纯方法是膜分离法，而金属膜分离法具有选择性高、使用温度宽等优点。目前工业上应用的滤氢金属膜材料包括：Pd合金膜和5B族元素合金膜；Pd合金膜具有高渗氢性能和独立催化氢分子解离等优点，但是资源短缺、格昂贵，无法大规模使用，而5B元素合金膜具有高氢溶解、成本低廉等优点，但是5B族合金膜无法将氢分子在金属表面吸附解离为氢原子，且低温下(<350℃)氢脆严重。在5B族金属表面沉积Pd膜可以解决这一问题，但高温下Pd膜与扩散层之间发生互扩散，导致氢渗透性能下降，因此我们迫切需要开发具有催化活性的成本低廉的新型氢分离膜。鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
针对上述缺陷，本专利技术提出一种用于氢气分离的碳化锆膜，包括从上至下依次堆叠的用于对氢气进行解离的解离层、用于对氢原子进行扩散的扩散层和用于对氢原子进行重组的重组层，所述解离层和所述重组层均为碳化锆薄膜。优选的，所述碳化锆薄膜中Zr和C的摩尔比为(1-6)：(1-3)。优选的，所述碳化锆薄膜中Zr和C的摩尔比为(1-3)：1。优选的，所述扩散层由致密性材料制成或多孔性材料制成；当扩散层为致密性材料时，所述致密性材料为V、Nb、Ta、Mo、Ni、Ti、Pd、Pt、V-Ni合金、V-Cr合金、V-Cu合金、V-Fe合金、V-Al合金、V-Co合金、V-Mo合金、V-W合金、V-Ti-Ni合金、V-Fe-Al合金、V-Mo-W合金、Nb-Ti-Ni合金、Nb-Ti-Co合金和Nb-Mo-W合金中的一种；当扩散层为多孔性材料时，所述多孔性材料为多孔不锈钢或多孔钛铝合金。优选的，所述解离层的厚度为5-500nm，所述重组层的厚度为5-500nm，所述扩散层的厚度为20-20000μm。一种用于氢气分离的碳化锆膜的制备方法，其特征在于，按照以下步骤：步骤一：对扩散层进行预处理；步骤二：利用离子束对扩散层表面进行清洗；步骤三：采用磁控溅射、离子束溅射、电子束蒸发、脉冲沉积、分子束外延和原子层沉积中的一种在扩散层的一面形成解离层；步骤四：采用磁控溅射、离子束溅射、电子束蒸发、脉冲沉积、分子束外延和原子层沉积中的一种在扩散层的另一面形成重组层。优选的，在步骤一中，依次采用丙酮和无水乙醇超声清洗扩散层5-15min，重复2-3次，然后使用去离子水冲洗1-2分钟，再进行干燥。优选的，在步骤三中，采用磁控溅射在扩散层的一侧形成解离层；在步骤四中，采用磁控溅射在扩散层的另一侧形成重组层。优选的，步骤二中清洗条件包括：溅射腔内真空度小于10-4Pa；扩散层温度为25-600℃；扩散层负偏压为0-500V；通入氩气流量为3-10sccm；设置电子束流50mA，氩气流速5sccm，腔室压力3-8*10-2Pa，持续轰击为时间为5-60min；步骤三和步骤四中的磁控溅射的条件包括：磁控溅射真空度小于10-4Pa，扩散层温度为25-600℃，扩散层负偏压为0-500V、通入氩气流量为10-50sccm、工作压强为0.2-2Pa，工作功率50-400W，溅射时间为2-120min。一种用于氢气分离的碳化锆膜及其制备方法在氢气分离和/或氢气纯化中的应用。相对于现有技术，本专利技术至少具有以下优点：1、本专利技术将新型碳化锆氢分离膜与扩散层材料结合，取代贵金属Pd，大幅度降低了氢气分离的应用成本；2、碳化锆作为一种新型氢分离膜，在高温环境下具有良好的稳定性和渗氢性能；3、本专利技术的碳化锆与基底复合膜，具有比纯Pd、Pd合金及Pd/扩散层复合膜更好的高温氢渗透稳定性能；本专利技术的新型碳化铌氢分离膜为实现新型、廉价、高效和稳定的氢气分离和提纯的材料和器件提供了新的选择。附图说明为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为锆薄膜的结构示意图，图2为锆薄膜在进行氢气提纯时氢原子的的渗氢过程示意图；图3为锆薄膜的单侧截面SEM图；图4为实施例一种制备的碳化锆薄膜的XRD图谱；图5为实施例一中在300W溅射功率下制备的锆薄膜在不同工作温度下得到的氢通量随着压力的变化曲线；图6为实施例一中在200W溅射功率下制备的锆薄膜在不同工作温度下得到的氢通量随着压力的变化曲线；图7为实施例一中在100W溅射功率下制备的锆薄膜在不同工作温度下得到的氢通量随着压力的变化曲线；图8为溅射功率为300W时氢渗透通量随时间变化的曲线；其中，1-解离层，2-扩散层，3-重组层。具体实施方式以下是对本专利技术的几个优选实施例进行详细描述，但本专利技术并不仅仅限于这些实施例。本专利技术涵盖任何在本专利技术的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本专利技术有彻底的了解，在以下本专利技术优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本专利技术。实施例一如图1所示，一种用于氢气分离的碳化锆膜，包括从上至下依次堆叠的用于对氢气进行解离的解离层1、用于对氢原子进行扩散的扩散层2和用于对氢原子进行重组的重组层3，所述解离层1和所述重组层3均为碳化锆薄膜，扩散层2选用厚度为100μm的V箔。在本实施例中，所述碳化锆薄膜中Zr和C的摩尔比为(1-6)：(1-3)。在本实施例中，所述碳化锆薄膜中Zr和C的摩尔比为(1-3)：1。在本实施例中，所述碳化锆薄膜中Zr和C的摩尔比为1：1在本实施例中，所述扩散层2由致密性材料制成或多孔性材料制成；当扩散层2为致密性材料时，所述致密性材料为V、Nb、Ta、Mo、Ni、Ti、Pd、Pt、V-Ni合金、V-Cr合金、V-Cu合金、V-Fe合金、V-Al合金、V-Co合金、V-Mo合金、V-W合金、V-Ti-Ni合金、V-Fe-Al合金、V-Mo-W合金、Nb-Ti-Ni合金、Nb-Ti-Co合金和Nb-Mo-W合金中的一种；当扩散层2为多孔性材料时，所述多孔性材料为多孔不本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于氢气分离的碳化锆膜，其特征在于：包括从上至下依次堆叠的用于对氢气进行解离的解离层(1)、用于对氢原子进行扩散的扩散层(2)和用于对氢原子进行重组的重组层(3)，所述解离层(1)和所述重组层(3)均为碳化锆薄膜。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于氢气分离的碳化锆膜，其特征在于：包括从上至下依次堆叠的用于对氢气进行解离的解离层(1)、用于对氢原子进行扩散的扩散层(2)和用于对氢原子进行重组的重组层(3)，所述解离层(1)和所述重组层(3)均为碳化锆薄膜。


2.根据权利要求1所述的一种用于氢气分离的碳化锆膜，其特征在于，所述碳化锆薄膜中Zr和C的摩尔比为(1-6)：(1-3)。


3.根据权利要求2所述的一种用于氢气分离的碳化锆膜，其特征在于，所述碳化锆薄膜中Zr和C的摩尔比为(1-3)：1。


4.根据权利要求1所述的一种用于氢气分离的碳化锆膜，其特征在于，所述扩散层(2)由致密性材料制成或多孔性材料制成；
当扩散层(2)为致密性材料时，所述致密性材料为V、Nb、Ta、Mo、Ni、Ti、Pd、Pt、V-Ni合金、V-Cr合金、V-Cu合金、V-Fe合金、V-Al合金、V-Co合金、V-Mo合金、V-W合金、V-Ti-Ni合金、V-Fe-Al合金、V-Mo-W合金、Nb-Ti-Ni合金、Nb-Ti-Co合金和Nb-Mo-W合金中的一种；
当扩散层(2)为多孔性材料时，所述多孔性材料为多孔不锈钢或多孔钛铝合金。


5.根据权利要求1所述的一种用于氢气分离的碳化锆膜，其特征在于，所述解离层(1)的厚度为5-500nm，所述重组层(3)的厚度为5-500nm，所述扩散层(2)的厚度为20-20000μm。


6.根据权利要求1-5任一所述的一种用于氢气分离的碳化锆膜的制备方法，其特征在于，按照以下步骤：
步骤一：对扩散层(2)进行预处理；
步骤二：利用离子束...

【专利技术属性】
技术研发人员：李新中，刘京京，杨宇昕，
申请(专利权)人：曾祥燕，
类型：发明
国别省市：江西;36