Водородные композитные мембраны с активным слоем из палладиевых сплавов на несущей основе из анодного оксида алюминия

Водород является важной частью мировой экономики и уже сейчас составляет значительную долю в энергетическом секторе. Быстро растущее использование водорода обусловлено высокой удельной плотностью энергии, малой массой, доступностью и экологичностью. Благодаря вышеперечисленным достоинствам, наблюдается существенный рост мирового рынка производства и использования водорода, который по прогнозам аналитиков должен вырасти почти в 2 раза за ближайшие 10 лет. В настоящее время, мембранные технологии являются одним из наиболее экономически выгодных способов извлечения и очистки водорода. По отношению к дистилляционным методам и коротко-цикловой адсорбции, использование мембран более энергетически эффективно и потенциально позволяет получать водород высокой степени чистоты. На сегодняшний день, плотные металлические мембраны из металлического палладия являются рекордсменами по селективности, а также позволяют работать при высоких температурах. Обратной стороной использования палладия является достаточно низкая механическая стабильность, охрупчивание (наиболее выражено при рабочих температурах менее 300 °С), а также низкая устойчивость к действию отравляющих веществ. Настоящий проект направлен на создание композитных мембран на основе палладиевых сплавов и анодного оксида алюминия для очистки водорода и его извлечения из газовых смесей. Пористый анодный оксид алюминия (АОА) выступает в качестве несущей основы, а селективность достигается за счет сплошного активного слоя на основе сплавов палладия на поверхности АОА. Дополнительное внедрение сплава в поры АОА призвано улучшить долговременную стабильность мембран за счет увеличения адгезии сплошной металлической пленки к поверхности несущей основы, а также увеличения газоплотности. Предлагаемая геометрия водородных мембран позволит уменьшить толщину сплошного активного Pd-содержащего слоя до долей микрона, что приведет к увеличению проницаемости при сохранении высокой селективности. Использование сплавов Pd-Ag и Pd-Cu по сравнению с чистым Pd необходимо для долговременной устойчивости к действию отравляющих веществ и для снижения негативного влияния водорода при низких рабочих температурах. Для достижения указанной цели проекта будет последовательно решен ряд взаимосвязанных задач: (1) численное моделирование транспорта водорода через композитную мембрану; (2) формирование несущей основы из АОА с заданными параметрами пористой структуры; (3) выбор оптимальных условий формирования сплошной металлической пленки на поверхности АОА, а также нанонитей в каналах с заданным составом, микроструктурой и геометрическими параметрами; (4) измерение проницаемости и селективности полученных мембран по водороду при его выделении из смесей с инертными газами; (5) аттестация деградационной устойчивости мембран в широком диапазоне рабочих температур, а также при воздействии отравляющих веществ. Основным результатом выполнения проекта станет аттестованный по проницаемости и селективности прототип водородной мембраны с оптимизированным составом и микроструктурой активного слоя, а также улучшенной устойчивостью к действию отравляющих веществ и работе в широком диапазоне температур.