[发明专利]一种新型碳化铌薄膜用于氢分离及其制备方法

说明书

一种新型碳化铌薄膜用于氢分离及其制备方法，涉及一种新型的氢分离膜及其制备方法。本发明是为了解决现有的V/Pd氢分离膜价格昂贵和高温稳定性差的问题。本发明所述的是碳化铌薄膜在氢分离中的应用，将碳化铌薄膜通过磁控溅射、离子束溅射、电子束蒸发、脉冲沉积、分子束外延或原子层沉积方法沉积到V基体、Nb基体、Ni基体、多孔不锈钢、多孔陶瓷上面，形成碳化铌/X基体复合膜用于氢气提纯，其特征在于，碳化铌作为一种全新的氢分离膜，价格低廉、制备方法简单，通过调整沉积温度、沉积功率、沉积偏压等工艺参数，可以进一步提高其高温渗氢性能。

技术领域

本发明应用于氢气提纯领域，具体说涉及一种新型氢分离提纯膜及其制备方法和应用。

背景技术

全球H₂产量超5000万吨/年，超过95％的H₂来自于化石燃料，但工业应用的方法得到的H₂纯度较低，需要进一步氢气提纯。目前，Pd及其合金在这类材料的研究和工业实践中占据主导地位，因为它们能够在很宽的温度范围内分离氢并显示出高渗透性，但是该技术的广泛实施受到Pd高成本的限制，更重要的是Pd催化膜具有限制的可操作性温度区间，高温稳定性差。VB族元素V、Nb、Ta及其相关合金理论氢渗透率高于Pd及其合金，而成本低2-3个数量级，限制它们发展的因素与Pd不同，该类金属及其合金对氢具有可忽略的催化活性，无法在其表面将氢解离和重组，另外在低温下VB族BCC金属在低于350℃的工作温度下容易发生氢脆，因此也限制了该类合金的使用。

基于以上背景，人们迫切希望找到Pd及其合金的替代品，过渡金属碳化物的催化性能，在电化学析氢方面取得了一定的效果，这些碳化物以及硫化物一被用作需要氢氧化/解离的反应中贵金属催化剂的替代物，例如在燃料电池或水煤气变换反应器中，虽然它们本质上不一定是氢可渗透的，离解的氢容易沿其表面扩散，目前，碳化钼已经被证实可以作为Pd的有效替代的潜在催化膜，离解的氢可以沿着碳化钼晶界或纳米级缺陷将氢转移到下边的金属，同为过渡金属碳化物的碳化铌，目前，没有专利和文献对碳化铌氢分离膜进行报道。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现在氢分离膜技术的不足，提供一种新型高性能碳化铌薄膜用于氢分离及其制备方法。采用物理气相沉积的方法，制备碳化铌氢分离膜用于氢气提纯，再通过调整镀膜时的工艺参数，包括镀膜温度、镀膜时间、基底负偏压、镀膜功率，进一步提高碳化铌氢分离的氢渗透性能。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：

一种新型碳化铌薄膜用于氢分离，复合膜包括三层，第一层为氢解离膜层碳化铌，第二层为基体氢扩散层，第三层为氢重组层碳化铌，氢解离层和重组层是对称的，所采用镀膜工艺参数完全一致。

而且，氢解离层厚度为5-500nm、氢扩散层厚度为20-20000μm、氢重组层厚度为5-500nm。

而且，氢解离层厚度为10-300nm、氢扩散层厚度为50-10000μm、氢重组层厚度为10-300nm。

而且，氢扩散层为金属、金属合金或非金属陶瓷中的一种。

而且，金属为V、Nb、Ta、Mo、Ni、Ti、Pd、Pt或多孔不锈钢中的一种；金属合金为V/Ni、V/Gr、V/Cu、V/Fe、V/Al、V/Co、V/Mo、V/W、V/Ti/Ni、V/Fe/Al、V/Mo/W、Nb/Ti/Ni、Nb/Ti/Co、Nb/Mo/W或其他高熵渗氢合金中的一种；非金属陶瓷为多孔氧化铝陶瓷片/管、多孔氧化锆陶瓷片/管或沸石中的一种。

一种新型碳化铌薄膜用于氢分离的制备方法，其特征在于，通过物理气相沉积法将碳化铌沉积到基底材料的两侧。

而且，膜方式为离子束溅射、磁控溅射、电子束蒸发、脉冲沉积、分子束外延或原子层沉积中的任意一种制备工艺。