用于H2S热解反应高通量混合质子电子导体透氢膜的制备及其研究

Using the mixed protonic-electronic membrane to construct an efficient system for H2S thermal decomposition, it not only can realize the coupling of H2S decomposition and hydrogen separation，but also break the equilibrium of thermodynamic to improve the rate of conversion. However, the membrane of hydrogen separation is transparent to the low hydrogen permeability and poor stability, which limits its application and development. Based on lanthanum tungstate material, the special objectives of this project are: (1) To explore the structure-function relationship of the composition and macroscopic properties, the effect of material composition on permeability and stability is investigated by XRD, TPR, SEM and TEM;(2) To explore the preparation method of thin wall and porous supported asymmetric hollow fiber membrane, the morphology of hollow fiber membrane is investigated by adjusting the technological parameters in the process of membrane preparation; (3) To explore the mechanism of reaction, the membrane reactor based on H2S decomposition is established, and new reaction and separation model is provided for the interaction between the material and process . The research results can provide the valuable information for H2S gas processing and the preparation of clean energy, thus further promote the development of mixed proton-electron conducting membrane for hydrogen separation.

采用混合质子电子导体透氢膜构建H2S热分解反应体系，可以实现H2S分解与氢分离耦合，打破热力学平衡，提高转化率。而目前研究的混合质子电子导体透氢膜存在透量低、稳定性差等问题，限制其应用发展。针对此问题，本项目以镧钨氧为基底，结合XRD、TPR、SEM及TEM等表征手段，研究材料组成对膜透氢量和稳定性的影响，揭示材料组成与宏观性能之间构效关系；通过非对称镧钨氧基中空纤维膜微观形貌的优化，揭示不同微观结构与宏观透氢性能相互关系，探索高透量、高稳定性非对称中空纤维透氢膜制备方法；通过透氢膜反应器的设计，建立基于H2S分解膜反应器，探索其反应分离机理，为膜分离与反应耦合的新过程中，材料间相互作用以及过程间相互作用提供新的反应分离模型。研究结果将对H2S废气的处理和清洁能源的制备提供一些理论依据和参考，从而进一步推动混合质子电子导体透氢膜的发展。

采用混合质子电子导体透氢膜构建一个高效的用于H2S热分解体系，可以将氢气不断转移，提高转化率。但现有透氢膜存在透量低、稳定性差等问题，限制其应用发展。针对此问题，本项目以镧钨氧为基底，设计并制备不同含量Mo、Cr、Nd、Mn等元素掺杂的新型镧钨氧基透氢膜材料，探索了不同烧结温度对膜相结构、微观结构、致密性以及相对密度的影响，探讨了镧钨氧基透氢膜材料组成与透氢性能、稳定性能的内在关系；通过相转化纺丝技术，探索了非对称中空纤维膜设计和结构调控；研究了镧钨氧基膜材料在不同温度、不同氢分压、水蒸气以及H2S等气氛下的透氢性能和稳定性能。研究结果表明，当烧结温度高于1300°C时，镧钨氧基立方相基本形成。LWCr0.2镧钨氧基混合质子电子导体透氢膜材料具备高浓度氧空位，相比La5.5WO11.25-δ和掺杂Mo的镧钨氧基膜材料，表现出优异的透氢性能。通过非对称中空纤维膜的设计，膜的性能有了明显提升。在长达104h性能测试中，LWCr0.2镧钨氧基透氢膜在还原气氛和水蒸气气氛中运行十分稳定。但目前所制备的镧钨氧基膜材料在H2S气氛中稳定性差，需要进一步优化膜材料，探索结构更加稳定的抗H2S混合质子电子导体透氢膜材料，将其用于膜反应器。通过这些研究，强化了对镧钨氧基透氢膜材料构效关系的认识，进一步推动混合质子电子导体透氢膜的发展。