WPI研发多层液态金属膜 优化氢气分离成本及能效

新能源汽车讯 据外媒报道，伍斯特理工学院（Worcester Polytechnic Institute，WPI）研发了一款全新的多层液态金属膜（SLiMM），用于氢气分离（hydrogen separation）。该薄膜由三层不同材质构成，有些类似三明治。该款分离膜（Separation membrane）掌握了降低氢燃料成本的关键。

据研究人员透露，该薄膜由液态金属制成，似乎在氢气分离方面，比常规钯隔膜（palladium membranes）的能效表现要好，且其价格相对低廉，耐用性更高。

据WPI团队透露，在500℃、Pa0.5的条件下，镓/碳化硅（Ga/SiC）SLiMM的渗透率达到2.75 x 10-7 mol/ms，比相似条件下钯（Pd）的渗透率高了35倍，该产品在氢气提纯应用方面具有极大的潜力。

长久以来，工程师就意识到氢能的重要性及局限性，而氢恰恰是宇宙中含量最富足的一种元素。自然环境中的氢气易于其他元素发生反应：与氧气发生反应后会生成水。为获得纯氢，务必将其于上述分子相分离。

市面上的大部分氢气分离膜均采用了贵金属——钯（palladium），其氢气溶解度（hydrogen solubility）及渗透率都极高，这意味着氢气可轻易溶解并穿透金属，而其他气体将被其隔离。然而，钯金属太贵了，当前售价约为900美元/盎司，且该材质较为易碎。

为此，许多化学工程师长期致力于各项研究，旨在寻找钯的替代品，但到目前为止，尚未找到适合的替代材料。而WPI研究为其指明了方向，采用液态金属。

在标准操作温度下，蒸汽重整制氢系统（steam reforming systems，约500℃）内的许多金属与合金均为液态，且大部分材料价格远不如钯那么昂贵。此外，若采用液态金属膜，不易产生产品缺陷或出现开裂的情况。

许多研究人员将关注点放在降低氢气的成本上，力图在提升钯膜品质的同时降低其厚度。业内及美国能源部投入了大量资金，研发了一项新工艺，将钯与多孔钢管相结合，使钯层（palladium layer）的厚度仅为5-10毫米。

然而，将钯层做薄会提升薄膜的流量（flux）、提升纯氢的渗透率。但若薄膜太薄，会变得易碎或存在缺陷。

六年前，WPI的化学工程师Datta携其弟子开始相关研究，旨在确定液态金属是否能克服部分钯金属的局限性，特别是高昂的成本及易碎的材料特质，若有可能的话，力图实现超强的氢气溶解度及渗透。

美国能源部向该研究团队拨付了100万美元。此后，该研究团队决定尝试采用镓来替代钯。镓是一种无毒金属（nontoxic metal），在室温下呈现液态。

尽管液态镓（liquid gallium）在氢气分离应用上前景喜人，但仍面临一定的挑战——该团队发现，该金属将于大量陶瓷材料（ceramic materials）发生反应，而后者是钯膜的支持材料。

通过建模与实验，他们整理了一份材料清单，其中涉及石墨及碳化硅等碳基材料（carbon-based material），上述材料不会与液态镓发生化学反应，但容易被液态金属沾湿，这意味着该金属将摊开，在支持材料（support materials）的表面形成一层薄膜。

该研究团队意识到，由于液态金属的表面张力（surface tension）可能会因为表面温度的变化及其所暴露的气体而发生改变，有可能导致泄漏，他们决定在两层材料中间插入金属，创建一种类似三明治结构的液态金属膜（SLiMM）。该薄膜由厚度为0.2毫米的液态镓层、碳化硅层及石墨层构成，液态镓层被夹在碳化硅层与石墨层中间。目前，该团队在实验室中构建了该薄膜架构，正在测试其稳定性及氢气渗透率。