氫是未來(lái)能源之光，同時(shí)也是參與工業(yè)流程用于減碳的要素。但是在自然界中幾乎找不到純氫，我們不得不采用各種化學(xué)方法，從化合物中提取純氫。

提純氫氣成為氫能產(chǎn)業(yè)中一大關(guān)鍵技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，人類已經(jīng)想出來(lái)了各種工藝路徑。其中提純效果最好的是金屬膜，常用到的金屬是鈀，但這種金屬實(shí)在是太稀有了，比常常被抱怨含量稀少的催化劑貴金屬鉑還要稀少。

克服這種價(jià)格上的惆悵，需要的是找到“平替”。近日俄羅斯教授Alexander Livshits找到了一種新路徑，讓兩種金屬攜手，一方面保持了氫提純效率，同時(shí)還大大降低成本。

邦奇-布魯耶維奇大學(xué)Alexander Livshits教授

為什么要將氫氣提純？

目前氫能產(chǎn)業(yè)中氫燃料電池的應(yīng)用大家耳熟能詳，但是大家可能并不太了解的是氫燃料電池對(duì)氫氣質(zhì)量的要求很高，必須將氫氣提純到所需參數(shù)，才能應(yīng)用于此。

?提高氫氣的純度，是為了?確保其安全性和有效性。自然界純氫幾乎不存在，即使是人們所熟知的各種綠氫制取過(guò)程，包括堿式、PEM、AEM等，生產(chǎn)過(guò)程所產(chǎn)生的也是富含氫的混合氣體。除了氫氣之外，還包括水份、?氧氣、?氮?dú)庖约耙恍╇s質(zhì)。

氫氣不純會(huì)有什么安全隱患？以氫氣在發(fā)電機(jī)中用于冷卻這一特性來(lái)說(shuō)，如果純度異常，可能會(huì)因?yàn)殡s質(zhì)中的水分吸附在絕緣層上，?誘發(fā)發(fā)電機(jī)絕緣事故，也可能會(huì)因?yàn)殡s質(zhì)中的氧氣占比過(guò)高，從而引發(fā)爆炸。?

氫燃料電池也要求必須使用高純度的氫氣。?在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，氫燃料電池中?對(duì)氫氣的純度要求非常苛刻，?遠(yuǎn)高于工業(yè)高純氫和超純氫的純度要求。這是因?yàn)殡s質(zhì)過(guò)多?會(huì)導(dǎo)致燃料電池催化劑中毒，?從而降低電池的效率和壽命。?此外，?這些雜質(zhì)還可能導(dǎo)致燃料電池堵塞、?性能下降，影響電池的正常運(yùn)行，?甚至損壞燃料電池。

目前具體來(lái)看，?氫氣的純度要求如下：高壓電解過(guò)程中產(chǎn)生的氫氣，?其純度要求達(dá)到99.999%（?五個(gè)九）?或更高。?作為發(fā)電機(jī)的氫氣燃料時(shí)，?一般要求氫氣純度達(dá)到99.99%~99.999%（?兩到五個(gè)九）?。

氫氣提純的基本技術(shù)原理包括吸附和膜分離。其中吸附法的原理是根據(jù)原料氣中不同雜質(zhì)種類，選取不同的吸附劑。吸附常常是作用于雜質(zhì)，通過(guò)各種吸附劑將雜質(zhì)“提”走。膜分離技術(shù)則可以通過(guò)將氫氣“提”走的方式來(lái)提純，作用于氫氣的提純效果最強(qiáng)悍的就是金屬膜提純分離法。

金屬膜提純氫氣主要依賴于氫氣通過(guò)致密金屬膜的傳輸原理，這一傳輸過(guò)程包括幾個(gè)步驟。?氫氣在金屬界面上的分離吸附，?原子氫被吸附到金屬中并進(jìn)行擴(kuò)散，?原子氫重新結(jié)合形成分子氫。也就是說(shuō)金屬膜因其獨(dú)特的物理和化學(xué)特性，使得這一過(guò)程同時(shí)兼具吸附和分離的雙重優(yōu)勢(shì)。

各種氫氣提純膜材料對(duì)比表

金屬鈀(Pd)對(duì)分子氫的解離具有更強(qiáng)的催化活性，?對(duì)原子氫的滲透率也更高。?以鈀為基礎(chǔ)的膜幾乎具有無(wú)限的選擇性，?可以生產(chǎn)出純度高達(dá)99.99999%的超純氫。不過(guò)目前金屬鈀膜的氫氣提純還沒有完全實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

一位認(rèn)真為鈀尋找小伙伴的教授

如何為提純效果優(yōu)秀的鈀金屬膜獲得更多的商業(yè)化應(yīng)用空間？一些科學(xué)家在想辦法，他們將合金路徑引入氫氣提純。A. Livshits教授是這一領(lǐng)域的佼佼者，他的最新發(fā)現(xiàn)將把氫氣提純的金屬膜應(yīng)用找到更合適的商業(yè)化路徑。

A. Livshits是俄羅斯邦奇-布魯耶維奇大學(xué)（Bonch-Bruevich University）教授，他是物理學(xué)和數(shù)學(xué)博士，已撰寫了150多篇科學(xué)論文，其中大部分發(fā)表在排名前四分之一的國(guó)際頂尖期刊上。

1993年至2010年間，A. Livshits教授曾在國(guó)外多所大學(xué)擔(dān)任客座教授，包括巴黎綜合理工學(xué)院、名古屋大學(xué)、東京大學(xué)、日本國(guó)立聚變科學(xué)研究所和氫同位素研究中心。在工作過(guò)程中，他參與了歐洲原子能共同體發(fā)起的若干項(xiàng)目的共同管理，并共同主持了日本的國(guó)際科學(xué)項(xiàng)目和國(guó)家研究計(jì)劃。

近年來(lái)，A. Livshits教授一直負(fù)責(zé)監(jiān)督主要研究中心委托的研發(fā)項(xiàng)目，包括庫(kù)爾恰托夫研究所和俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院布德科爾核物理研究所。

從他的經(jīng)歷可以看到，他的主要研究領(lǐng)域是核物理。正是在其研究工作中，他發(fā)現(xiàn)了一種全新物理現(xiàn)象：金屬膜對(duì)超熱氫粒子具有超滲透性。

在核物理研究中，一條科學(xué)研究路徑是模擬太陽(yáng)內(nèi)部的超熱氫離子狀態(tài)。因?yàn)樵谔?yáng)內(nèi)部溫度非常高，使得原子內(nèi)部的電子都被擠掉，只留下了正電荷的離子，這些離子彼此碰撞，釋放出了大量的能量，形成等離子體反應(yīng)，從而維持了太陽(yáng)的亮度和熱量。

他對(duì)氫能匯介紹說(shuō)：“我研究氫在金屬膜中的傳輸已有多年，這是我專業(yè)工作的一部分。”

正是在對(duì)超熱氫離子的研究中，A. Livshits教授發(fā)現(xiàn)金屬膜在超熱氫離子中的超滲透性：厚度為1毫米的金屬膜幾乎能讓每一個(gè)落在其表面、能量至少為1 eV的氫離子通過(guò)，而在常規(guī)條件下，氫分子從相同尺寸的金屬膜表面通過(guò)的比率僅為1 eV的千萬(wàn)分之一。

換句話說(shuō)，對(duì)于超熱氫離子來(lái)說(shuō)，這一層超滲透膜就如同虛空，而且能順利將所有氫離子順利提走。這一發(fā)現(xiàn)主要用于熱核反應(yīng)堆的燃料循環(huán)。為此，俄羅斯、德國(guó)、美國(guó)和中國(guó)正在積極地進(jìn)行準(zhǔn)備工作，將這一發(fā)現(xiàn)應(yīng)用于核物理實(shí)踐中。

這一發(fā)現(xiàn)不僅給核物理帶來(lái)了一個(gè)新的方向，同時(shí)也為氫氣提純提供了一嶄新路徑。

鈀釩合金將金屬膜的功能發(fā)揮到極致

由于氫能是以普通熱氫氣為基礎(chǔ)，因此無(wú)法直接利用A. Livshits教授所提出的超滲透膜技術(shù)。但是普通熱氫氣可以利用貴金屬鈀來(lái)做滲透介質(zhì)。鈀的分離功能卓著，在一定溫度下，氫分子在鈀膜上電離為質(zhì)子和電子，然后在濃度梯度的作用下擴(kuò)散至低氫分壓側(cè)，并在鈀膜表面重新耦合為氫分子。這一非凡能力讓它成為氫氣提純的高手。

A. Livshits教授在持續(xù)的研究和實(shí)驗(yàn)過(guò)程發(fā)現(xiàn)，相較于鈀膜，在使用釩膜時(shí)氫的傳輸也可以達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的速度。但是釩不具備將氫分子解離的作用。A. Livshits教授認(rèn)為，鈀金屬的氫解離功能不能忽視，于是他和他的團(tuán)隊(duì)為氫能工業(yè)開發(fā)了一種由釩合金制成的特殊膜：釩在中間，上下兩面覆有微米級(jí)的鈀層。

他研發(fā)的這種特殊膜中的鈀含量，只有其他使用鈀的商業(yè)化膜中鈀含量的5-10%，因?yàn)殁C在地殼中含量比較豐富，其價(jià)格是和銅相類比的級(jí)別，從而大大降低了金屬膜的成本。

不僅如此，這種鈀和釩“牽手”制成的膜，比普通膜產(chǎn)品的生產(chǎn)率高出數(shù)倍！

更加神奇的是，這種合金還摒棄了釩金屬的弱勢(shì)。A. Livshits教授解釋說(shuō)：“釩在常壓或更高壓力下容易溶解氫氣，從而這種金屬會(huì)變得膨脹且易脆。但是當(dāng)把少量鈀金覆蓋于釩，這種合金將對(duì)氫的溶解度降低到最低值。”

A. Livshits教授說(shuō)：“釩鈀兩者的牽手讓我們得到了一種高效的膜，它在氫氣方面性能可靠，價(jià)格低廉，并且具有100%的選擇性。”

成本的大幅降低為這一合金膜開辟了廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，以前只能用于半導(dǎo)體行業(yè)的純氫提取，在成本大大降低之后，可以在加氫站以及其他為氫基礎(chǔ)設(shè)施提供原料的大型設(shè)施中使用。

此外，這種膜在石化工業(yè)中也很有潛力，以前在煉油（石油加氫處理）過(guò)程中生產(chǎn)純氫常常使用吸附法，這一方法能耗巨大且操作不便，使用鈀釩合金膜這一技術(shù)可以從工業(yè)生產(chǎn)的氫氣中獲取燃料電池所需的超純氫。

A. Livshits教授表示：“我們離廣泛使用氫燃料汽車僅一步之遙，薄壁管狀鈀和釩合金膜的使用將促進(jìn)超純氫的生產(chǎn)和氫能的開發(fā)。”

氫燃料電池汽車進(jìn)一步研發(fā)與量產(chǎn)化，正在成為全球汽車工業(yè)領(lǐng)域的一場(chǎng)新革命，同時(shí)也將給氫能產(chǎn)業(yè)帶來(lái)更活躍的商業(yè)化應(yīng)用空間。A. Livshits教授希望能與中國(guó)企業(yè)合作，讓這一技術(shù)能在氫能產(chǎn)業(yè)蒸蒸日上的中國(guó)獲得更大范圍的應(yīng)用。