氢分离膜以及制造氢分离膜的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及氢分离膜以及制造氢分离膜的方法，更具体地，涉及能够抑制在多孔载体与基于钯的金属分离膜之间的扩散并且同时在多孔载体与基于钯的金属分离膜之间产生良好的粘合力的氢分离膜，以及制造所述氢分离膜的方法。
【背景技术】
[0002]氢在环境中是轻的、丰富的且高效的，因此作为将来可以替代传统能源的主要能源而受到关注。然而，因为由包含氢的资源(例如水、天然气、煤、生物质等)获得的氢中包含杂质，所以在使用前氢应当在工艺中被分离和纯化。
[0003]作为分离和纯化氢的方法，已经提出了众多技术，例如低温空气分离法、吸附法或使用分离膜的氢分离法。其中，因为使用分离膜的氢分离法具有可以更有效地节约能量和可以比其他氢分离方法更易处理的优势，并且可以以较小规模制造仪器，所以该氢分离法是广泛使用的氢分离法之一。
[0004]尤其是，由于基于钯的金属分离膜具有高的氢渗透性和优异的氢分离性，因此使用分离膜的氢分离方法明显优于其他分离方法。而且，可以将使用基于钯的金属分离膜的氢分离方法用于燃料电池，或用于高效地获得纯氢以用于其他消耗氢的过程，并且可以应用于多种领域，例如用于氢化或脱氢过程以提高靶产物的数量。
[0005]通常此类金属分离膜是以堆叠在多孔载体表面上的方式来使用，并用以改善氢渗透率。然而，当金属分离膜直接在多孔载体中由金属材料制成的多孔载体表面上形成时，由于其间的相互扩散因而降低了氢渗透性。因此，由陶瓷材料制成的缓冲层应当夹设在多孔载体与金属分离膜之间。溶胶-凝胶法已用作形成此类缓冲层的方法。
[0006]然而，尽管利用传统溶胶-凝胶法形成的缓冲层可以抑制多孔载体与金属分离膜之间的扩散，但是由于存在夹设在其间的缓冲层，因而在多孔载体与金属分离膜之间的粘合力可能会降低。例如图10所示，可以从多孔载体110上剥掉金属分离膜130。
【发明内容】
[0007]技术问题
[0008]因此，本发明的一个方面是提供能够保持在多孔载体和金属分离膜与设置在其间的缓冲层之间的良好粘合力的氢分离膜，以及制造所述氢分离膜的方法。
[0009]本发明的另一方面是提供能够提高氢渗透率的氢分离膜，以及制造所述氢分离膜的方法。
[0010]技术方案
[0011]为了解决上述问题，本发明的一方面提供了氢分离膜，其包括:由金属或陶瓷材料制成的多孔载体；由陶瓷材料制成并以多个柱的形式在多孔载体上形成的缓冲层，其中所述缓冲层由多个层形成；以及在缓冲层上形成并能够分离氢的基于钯的金属分离膜。
[0012]对于本发明的一个示例性实施方案的氢分离膜，所述缓冲层可以包括由基于氧化物的陶瓷材料制成的层，所述陶瓷材料例如为MOy (M为Ti或Zr)其中氧的组成为l〈y〈2，或为Al2Oz其中氧的组成为2〈z〈3。
[0013]对于本发明的一个示例性实施方案的氢分离膜，所述缓冲层可以具有由不同的陶瓷材料形成的相邻的层。
[0014]对于本发明的一个示例性实施方案的氢分离膜，所述缓冲层的形式可以为多个直径为1nm至200nm的柱。
[0015]对于本发明的一个示例性实施方案的氢分离膜，所述缓冲层可以分别形成，或以多个簇的形式形成。
[0016]在本发明的一个示例性实施方案的氢分离膜中，所述缓冲层可以由第一至第三缓冲层形成。所述第一缓冲层可以在多孔载体上形成并由一种选自T1y、ZrOjPAl 20z的基于氧化物的陶瓷材料形成，其中氧的组成为l〈y〈2或2〈z〈3。所述第二缓冲层可以在所述第一缓冲层上形成并由基于氧化物的陶瓷材料形成，所述陶瓷材料包含选自T1、Zr、Al、S1、Ce、La、Sr、Cr、V、Nb、Ga、Ta、W和Mo中的一种。而且，所述第三缓冲层可以在所述第二缓冲层上形成并由一种选自Ti0y、Zr0jP Al 20z的基于氧化物的陶瓷材料形成，其中氧的组成为l<y<2 或 2〈z〈3o
[0017]本发明的另一方面提供了氢分离膜，其包括:多孔载体；以多个柱的形式在所述多孔载体上形成并由基于氧化物的陶瓷材料制成的缓冲层，所述陶瓷材料例如为MOy (M为Ti或Zr)其中氧的组成为l〈y〈2，或为Al2Oz其中氧的组成为2〈z〈3 ；以及在所述缓冲层上形成的基于钯的金属分离膜。
[0018]本发明的又一方面提供了制造氢分离膜的方法，其包括:制备由金属或陶瓷材料制成的多孔载体；以多个柱的形式在所述多孔载体上形成缓冲层，其中所述缓冲层由陶瓷材料制成并由多个层形成；以及在所述缓冲层上形成能够分离氢的基于钯的金属分离膜。
[0019]对于本发明的一个示例性实施方案的制造氢分离膜的方法，在形成所述缓冲层时，可以由基于氧化物的陶瓷材料形成所述缓冲层，所述陶瓷材料例如为MOy (M为Ti或Zr)其中氧的组成为l〈y〈2，或为Al2Oz其中氧的组成为2〈z〈3。
[0020]对于本发明的一个示例性实施方案的制造氢分离膜的方法，在形成所述缓冲层时，可以使用102或Al 203作为靶标在真空条件下通过溅射法形成所述缓冲层。
[0021]对于本发明的一个示例性实施方案的制造氢分离膜的方法，在形成所述缓冲层时，可以通过向用作源的M金属板或粉末供应氧气，并通过蒸发的M与氧气反应而氧化所述M金属板或粉末从而以柱的形式在所述多孔载体上生长。
[0022]对于本发明的一个示例性实施方案的制造氢分离膜的方法，所述缓冲层的形成可以包括:在所述多孔载体上形成第一缓冲层，其中所述第一缓冲层由一种选自Ti0y、Zr0y*Al2Oz的基于氧化物的陶瓷材料形成，其中氧的组成为l〈y〈2或2〈z〈3 ;在所述第一缓冲层上形成第二缓冲层，其中所述第二缓冲层由基于氧化物的陶瓷材料形成，所述陶瓷材料包含选自T1、Zr、Al、S1、Ce、La、Sr、Cr、V、Nb、Ga、Ta、W和Mo中的一种；以及在所述第二缓冲层上形成第三缓冲层，其中所述第三缓冲层由一种选自Ti0y、Zr0#P Al 20z的基于氧化物的陶瓷材料形成，其中氧的组成为l〈y〈2或2〈z〈3。
[0023]本发明的另一方面提供了制造氢分离膜的方法，其包括:制备多孔载体；以多个柱的形式在所述多孔载体上形成缓冲层，其中所述缓冲层由基于氧化物的陶瓷材料制成，所述陶瓷材料例如为MOy (Μ为Ti或Zr)其中氧的组成为l〈y〈2，或为Al2Oz其中氧的组成为2<z<3 ;以及在所述缓冲层上形成能够分离氢的基于钯的金属分离膜。
[0024]对于本发明的一个示例性实施方案的制造氢分离膜的方法，在形成所述金属分离膜时，可以利用物理气相沉积法在所述缓冲层上形成所述基于钯的金属分离膜。
[0025]有益效果
[0026]根据本发明的示例性实施方案，通过在多孔载体与金属分离膜之间以柱的形式形成由陶瓷材料制成的缓冲层可以抑制多孔载体与金属分离膜之间的扩散，并且还可以确保在多孔载体和金属分离膜与夹设在其间的缓冲层之间的良好的粘合力。因为此类缓冲层是以多个单独的柱或多个簇的形式形成，所以该缓冲层可以有效地应对收缩和扩展，从而在多孔载体与金属分离膜之间产生良好的粘合力。
[0027]而且，当对缓冲层调整MOy (M为金属如T1、Zr或Al)中氧的组成时，可以提供在多孔载体和金属分离膜与设置在其间的缓冲层之间的良好的粘合力。
[0028]当提供在多孔载体和金