Исследование пентагональноструктурированных многократно двойникованных Pd-Au нанокатализаторов в процессах низкотемпературного мембранного выделения водорода

Одним из наиболее перспективных материалов для создания диффузионных фильтров глубокой очистки водорода являются ультратонкие пленки на основе сплавов Pd-Cu, получаемые методами вакуумного распыления. Такие мембранные материалы сочетают в себе оптимальную прочность, пластичность и устойчивость к дилатации при термоциклировании в атмосфере водорода, низкую себестоимость, за счет наличия достаточно большого содержания меди (до 50 %), а также обладают крайне высокими значениями водородопроницаемости в сравнении с мембранами получаемыми классическими методами проката (МР до 19×10–3; проката до 3×10–3 (см3 мм·см–2·с–1·кПа–0.5). Это объясняется тем, что согласно диаграмме состояния, в сплаве Pd-50%Cu происходит упорядочение твердого раствора с образованием b-фазы (решетка CsCl, a = 0,2966 нм), в котором менее плотная кристаллическая решетка по сравнению с ГЦК решеткой a-aфазы (а = 0,3767 нм). Но несмотря на множество преимуществ в высокотемпературном диапазоне рабочих температур, такие материалы являются практически не пригодными для работы низкотемпературных диффузионных фильтров водорода (≤ 200° С). Это происходит ввиду до сих пор не преодоленной научной проблемы – кинетического торможения достижения равновесия в системе металл-водород при температуре ниже 200°С, причиной чего выступает замедление перехода водорода через металлическую поверхность. Реализовать уникально высокую скорость транскристаллического переноса водорода таких мембранных материалов, на основе сплава Pd-Cu, становится возможным только при достаточном ускорении лимитирующих в данных условиях, стадий хемосорбции и диссоциации водорода на входной и выходной поверхностях мембраны. Поэтому основной целью проекта является интенсификация процесса низкотемпературной (до 200°С) водородопроницаемости палладий-медных мембран, полученных методом магнетронного распыления. Достижение данной цели планируется осуществить на основе недавнего прогресса, достигнутого авторами заявки в синтезе металлических пентагональноструктурированных нанокристаллов с контролируемой формой, открытыми высокоэнергетическими поверхностями, включая грани с высоким индексом, и их уникальными электрокаталитическими свойствами в реакциях с участием водорода, процессах электроокисления метанола/этанола и мембранного выделения высокочистого водорода. Такие частицы могут выступать в качестве модифицирующего слоя, нанесенного на входную и/или выходную сторону разрабатываемых газопроницаемых мембран, ускоряющего поверхностные процессы. Такой слой на поверхности объемного палладия может значительно (до нескольких раз) ускорять растворение водорода металлом или делать это растворение вообще возможным в низкотемпературном диапазоне. Создание на поверхности мембраны подобного наноструктурированного слоя палладия с наночастицами четко контролируемой морфологии с высокоиндексными гранями с высокой поверхностной энергией сулит значительное ускорение диссоциативно-ассоциативных процессов адсорбции/десорбции на поверхности. Это позволит экспериментально зафиксировать многократное увеличение плотности потока водорода для мембран на основе Pd-Cu в условиях низкой температуры (< 200°С) и давления (< 0,6 МПа) по сравнению с образцами гладких и модифицированных стандартными методиками мембран. В свою очередь станет возможным значительное совершенствование процесса диффузионной очистки, понижение рабочих температур и повышение эффективности мембранных фильтров водорода и устройств на их основе. Также в конечном итоге это приведет к созданию на их основе низкотемпературных устройств со сходными или превосходящими характеристиками высокотемпературные аналоги, такие как водородно-воздушные топливные элементы, низкотемпературные мембранные фильтры выделения высокочистого водорода из газовых смесей, электрохимические устройства разделения изотопов водорода, мембранные реакторы парового риформинга (метанола, метана, и т.д.).