近日，我校化工学院第一届“博学班”本科生李响在H₂膜分离领域的研究中取得进展。
在水煤气变换和重整过程中，若能在反应温度下直接分离氢气，可推动反应平衡并减少气体冷却或再加热带来的能耗。然而，传统聚合物膜存在渗透性–选择性权衡，部分无机混合导体膜则需在较高温度下运行。因此，在水煤气变换温区内实现高选择性、高通量的氢分离仍具挑战。针对这一问题，团队开发了一种Ti-PA/OPBI-Pt金属–聚合物双相膜。该膜兼具质子与电子传导特性，通过在膜两侧负载Pt催化剂，完成了氢气解离与重组，实现水煤气变换温区内高选择性、高通量的氢气分离。该膜以多孔Ti为支撑骨架，采用毛细填充–干燥法将OPBI填充至孔道中，经磷酸掺杂后形成连续、致密的质子传导相，并在膜两侧负载Pt催化剂。多孔Ti金属具有较高电子传导能力，以及优良的机械强度，PA/OPBI负责质子传输，Pt则促进H₂的解离与重组。
双相膜获得高氢通量的前提，是电子传导相、质子传导相和催化剂协同发挥作用。只有同时引入多孔Ti、磷酸掺杂OPBI和Pt催化剂，膜的氢渗透通量才会显著提升。Arrhenius分析显示，氢通量随温度升高而增加，但在不同温度区间呈现不同的变化规律，200℃以下主要由表面反应控制，200℃以上则受体相扩散控制。研究团队还进一步考察了Ti支撑体孔径和膜厚度的影响。孔径过大会增加聚合物填充和膜致密化的难度，而膜体过厚则会增大质子和电子的传输阻力。综合比较后，平均孔径为10μm、厚度为0.5mm的Ti-PA/OPBI-Pt膜表现出最优的氢渗透通量，在结构完整与传输阻力之间实现了较好的平衡。
通过调节温度、进料气体流量和气体组成，考察了对膜的氢渗透性能影响。结果表明，氢气通量随温度升高而增加；提高进料侧氢分压或增大膜两侧的传质驱动力，均有利于促进氢气渗透。该膜在水煤气变换反应温区以及气体组成下表现出了良好的氢气分离性能。
优化后的Ti-PA/OPBI-Pt-0.5膜在300℃、50%H₂/N₂条件下，氢气通量最高可达0.96mL·min⁻¹·cm⁻²，H₂/N₂选择性达到100%。并在220℃下，膜以0.63mL·min⁻¹·cm⁻²的氢通量稳定运行200h以上。测试后膜表面结构完整、元素分布均匀，证明其具有良好的稳定性。
该研究成果依托内蒙古工业大学化工学院、煤基固废高值化利用国家地方联合工程研究中心和资源循环自治区高等学校重点实验室完成，并受到国家自然科学基金（22308168）、内蒙古自治区首批“内蒙古自然基金优秀青年基金”人才项目（2025YQ049）和煤基固废高值化利用创新团队（2025TYL04）支持。相关研究以“Tailored for hydrogen separation in the temperature window of the water–gas shift reactions: A metal-polymer dual-phase membrane with mixed proton-electron conduction”为题，发表于国际膜分离领域期刊Journal of Membrane Science。我校化工学院陈天嘉教授为论文通讯作者，我校2023级能源化学工程专业大四本科生李响为第一作者，我校为论文第一单位。
文字、图片：化工学院
