一种用于氢气分离和提纯用复合膜及其制备方法技术

本发明专利技术涉及氢气分离技术领域，具体涉及一种用于氢气分离和提纯用复合膜，包括扩散层和设置在扩散层两侧的碳化钨催化层，并按照步骤一步骤四的方法制备，具有较好的高温耐久性，提高了复合膜的使用寿命，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】
一种用于氢气分离和提纯用复合膜及其制备方法
本专利技术涉及氢气分离
，具体涉及一种用于氢气分离和提纯用复合膜及其制备方法。
技术介绍
在氢气的分离提纯技术中，膜分离法由于具有工艺设计简单、可与其他分离技术配合等特点，具有广阔的发展前景。在氢渗透提纯的金属膜中，Pd及其合金膜因其具有良好的氢渗透性和选择性，是目前工业应用中常见的氢分离合金膜。但Pd作为一种贵金属，资源稀缺，价格昂贵，导致其在工业化应用中成本过高，无法大规模生产。同时，Pd及其合金膜还存在低温下容易氢脆等问题。因此，针对上述问题，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和提纯用复合膜，包括扩散层和设置在扩散层两侧的碳化钨催化层。优选的，所述碳化钨催化层中钨与碳的摩尔比为1：(0.1-1)。优选的，所述碳化钨催化层中钨与碳的摩尔比为1：1。优选的，所述扩散层的材质为金属及合金或者陶瓷；当扩散层为金属及合金时，所述金属及合金为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、Nb-Mo-W合金、多孔不锈钢、多孔钛铝合金和高熵渗氢合金中的一种；当扩散层为陶瓷时，所述陶瓷为多孔氧化铝和沸石中的一种。优选的，所述扩散层的厚度为20-2000μm；所述碳化钨催化层的厚度为5-1000nm。优选的，所述扩散层的厚度为100μm。优选的，所述碳化钨催化层的厚度为200nm。一种用于氢气分离和提纯用复合膜的制备方法，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侧形成碳化钨催化层；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侧形成碳化钨催化层。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1-2min，再进行干燥。优选的，在步骤三和步骤四中，采用磁控溅射在扩散层的两侧分别形成碳化钨催化层。优选的，步骤三和步骤四中的磁控溅射的条件包括：溅射腔内真空度小于10-4Pa、扩散层温度为0-600℃；扩散层负偏压为0-500V；通入氩气流量为20-30sccm；工作压强为0.5-4Pa；溅射功率为50-300W；持续轰击为时间为5-120min。一种用于氢气分离和提纯用复合膜在氢气分离和/或氢气纯化中的应用。本专利技术的有益效果是，通过避免使用贵金属Pd及其合金的方式极大程度上的降低了生产成本，并且，提供了相对较高的氢渗透性能，这保证了高氢渗透效率和高氢气纯度，同时，本专利技术中的氢分离提纯复合膜在较高的温度范围内都表现出了优异的氢渗透性能和稳定性，有效提高了膜分离材料和器件的应用范围，为生产制备高纯氢提供了有效的新方法。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为本专利技术的复合膜的结构示意图；图2为本专利技术的复合膜的渗氢原理示意图；图3为本专利技术的复合膜的单侧截面SEM图；图4为本专利技术的复合膜的表面SEM图；图5为实施例二中制备得到的氢分离复合膜的渗氢流量随上游压力变化曲线图；图6为实施例二中制备得到的氢分离复合膜的渗氢流量随上游压力变化曲线图；图7为试验例复合膜的渗氢持久图；图8为试验例复合膜的渗氢性能对比结果。其中，1：扩散层；2：碳化钨催化层。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，一种用于氢气分离和提纯用复合膜，包括扩散层1和设置在扩散层1两侧的碳化钨催化层2，其中扩散层1为厚度100μm、直径20mm的钒箔圆片，碳化钨催化层2为碳化钨薄膜。在本实施例中，所述碳化钨催化层2中钨与碳的摩尔比为1：(0.1-1)。在本实施例中，所述碳化钨催化层2中钨与碳的摩尔比为1：1。在本实施例中，所述扩散层1的材质为金属及合金或者陶瓷；当扩散层1为金属及合金时，所述金属及合金为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、Nb-Mo-W合金、多孔不锈钢、多孔钛铝合金和高熵渗氢合金中的一种；当扩散层1为陶瓷时，所述陶瓷为多孔氧化铝和沸石中的一种。在本实施例中，所述扩散层1的厚度为20-2000μm；所述碳化钨催化层2的厚度为5-1000nm。在本实施例中，所述扩散层1的厚度为100μm。在本实施例中，所述碳化钨催化层2的厚度为200nm。实施例二一种用于氢气分离和提纯用复合膜的制备方法，按照以下步骤：步骤一：对扩散层1进行预处理，将钒箔圆片依次置于丙酮、无水乙醇和去离子水中，利用超声清洗设备依次清洗10min，再置于干燥箱内于120℃下烘干；步骤二：利用离子束对扩散层1表面进行清洗；将预处理好的钒箔原片和碳化钨(原子比1:1)靶材分别安置在磁控溅射镀膜腔室的样品台和靶头上，炉腔关闭，使用分子泵将腔室的真空度抽至10-4Pa以下，关闭靶材挡板，设置电子束流50mA，氩气流速5sccm，调节分子泵阀门，使腔室压力为0.5Pa，离子束激发，清洗30min；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1的一侧形成碳化钨催化层2；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1的另一侧形成碳化钨催化层2；在进行步骤三和步骤四时，将靶材前的挡板打开，此时偏压为0，基片温度为室温，设置溅射功率为200W，腔室压力1.0Pa，通入氩气流量为8sccm，溅射20min，在钒箔原片表面镀得一层碳化钨薄膜，不开炉的情况下，将钒箔基片本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于氢气分离和提纯用复合膜，其特征在于：包括扩散层(1)和设置在扩散层(1)两侧的碳化钨催化层(2)。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于氢气分离和提纯用复合膜，其特征在于：包括扩散层(1)和设置在扩散层(1)两侧的碳化钨催化层(2)。


2.根据权利要求1所述的一种用于氢气分离和提纯用复合膜，其特征在于，所述碳化钨催化层(2)中钨与碳的摩尔比为1：(0.1-1)。


3.根据权利要求2所述的一种用于氢气分离和提纯用复合膜，其特征在于，所述碳化钨催化层(2)中钨与碳的摩尔比为1：1。


4.根据权利要求1所述的一种用于氢气分离和提纯用复合膜，其特征在于，所述扩散层(1)的材质为金属及合金或者陶瓷；
当扩散层(1)为金属及合金时，所述金属及合金为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、Nb-Mo-W合金、多孔不锈钢、多孔钛铝合金和高熵渗氢合金中的一种；
当扩散层(1)为陶瓷时，所述陶瓷为多孔氧化铝和沸石中的一种。


5.根据权利要求1所述的一种用于氢气分离和提纯用复合膜，其特征在于，所述扩散层(1)的厚度为20-2000μm；所述碳化钨催化层(2)的厚度为5-1000nm。


6.根据权利要求1-5任一所述的一种用于氢气分离和提纯用复合膜的制备方法，其特征在于，按...

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