氫氣因其作為清潔能源的潛力而備受關注。迄今為止，大部分氫氣都是利用天然氣、煤炭或石油等化石燃料生産的。這種從化石中提取的氫氣，必須從各類常見污染物中純化出來，才能進一步應用到燃料電池當中。
使用緻密的氧離子傳導陶瓷膜來進行化石衍生氫輔助的水分解，是一種新型氫純化技術。金屬氧化物構成的氧離子傳導膜對氧具有 100% 的選擇性，如果在膜一側進行高溫水分解反應，另一側進行化石衍生氫燃燒反應，那麼低純氫氣燃燒可驅動膜另一側水分解，直接獲得不含一氧化碳的氫氣，用于氫燃料電池。然而，暴露在含氫氣、二氧化碳、硫化氫、甲烷和水蒸氣等複雜惡劣氣氛中時，現有的氧離子傳導膜的化學穩定性仍是一個問題。
在前期氧離子傳導膜材料開發的基礎上（Angew.Chem.Int.Ed. 2021，60，5204-5208；Chem.Mater. 2019，31，7487-7492；AIChE J. 2019，65，e16740），最近，中國科學院青島生物能源與過程技術研究所（QIBEBT）的研究團隊開發了一種 "界面反應誘導重組" 的新方法，在陶瓷氧化物膜表面構築一層超薄氧離子傳導緻密膜，形成多層結構陶瓷膜，以穩定高效地提純化石衍生氫，制取不含一氧化碳的氫氣。
該研究于 11 月 3 日發表在《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition）雜志上，并已申請一項中國發明專利和一項國際專利。
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" 多層陶瓷膜通常使用逐層沉積方法制造，然而，這些傳統制膜工藝（圖 1a）程序繁多，并且所得緻密層較厚，通常在 10 到 1000 μ m 之間。此外，沉積的緻密層在共燒結過程中經常從支撐層剝離。" 通訊作者江河清研究員說。
受土壤中根莖草的結構啟發，研究人員開發了一種界面反應誘導重組方法來制造三層陶瓷膜（圖 1b），其氧傳導薄層根植于支撐層，原位構築的氧離子傳導膜非常薄（~1 μ m），緻密并且牢固地粘附在支撐層上，既可顯著降低氧離子傳輸阻力，又能避免薄膜分層或剝離，保持多層結構陶瓷膜的完整性。另外，該過程隻需一步熱處理（雙相陶瓷前體的一步燒結），有望降低多層結構陶瓷膜的制備成本。
圖 1 具有離子傳導緻密層的多層陶瓷膜的示意圖 a ) 傳統的逐層沉積；b ) 界面反應誘導的重組 | 參考文獻 [ 1 ]
該方法适用于十餘種不同的陶瓷體系，具有較好的普适性，其中氧離子傳導薄膜包含 Ce0.9Gd0.1O2- δ、Y0.08Zr0.92O2- δ、Ce0.9Pr0.1O2- δ、Ce0.9Sm0.1O2- δ 等，簡稱 CGO 緻密薄膜。研究人員将開發的新型陶瓷膜作為膜反應器，在模拟焦爐氣氛（含有 H2、CH4、CO2、CO 和 H2S）下進行的氧化輔助水分解産氫，能夠連續穩定運行超過 1000 個小時，展現出優異的穩定性和制氫性能。
江河清研究員表示：" 這些結果表明，該技術為開發具有功能層的高性能多層陶瓷鋪平了道路，應用前景廣闊——例如固體氧化物燃料電池和電解電池。這也将是我們未來工作的重點。"
參考文獻
[ 1 ] He, G., Lan, Q., Liu, M., Wu, G., Dunin-Borkowski, R..E. and Jiang, H. ( 2022 ) , Multilayered Ceramic Membrane with Ion Conducting Thin Layer Induced by Interface Reaction for Stable Hydrogen Production. Angew. Chem. Int. Ed.. Accepted Author Manuscript. https://doi.org/10.1002/anie.202210485
[ 2 ] https://www.eurekalert.org/news-releases/970563
[ 3 ] https://www.cas.cn/syky/202211/t20221107_4853939.shtml
編譯：竹子
