钯铜合金复合膜的研制及其性能测试

论文摘要

由于人们对石油、煤炭等资源的过度使用,使全世界面临着日益严重的空气污染、温室效益、能源枯竭等严峻考验。而氢气作为化工原料及清洁能源,其需求量迅猛增大,从而推动了人们对经济可行的氢气生产和分离技术的研究。钯及其合金膜具有非常高的氢渗透选择性、良好的机械和热稳定性及催化活性等一系列优点,渗氢用钯分离膜与膜反应器的制备与应用得到了深入广泛的研究,钯膜的发展经历了最初的纯钯膜、钯合金膜和目前的钯复合膜。与传统的纯Pd膜相比,Pd-Cu合金复合膜在透氢方面展现出许多优良的性质,比如:较高的氢气选择性和渗透速率;更好的防止氢脆现象产生;不易中毒;成本较低等等。使得人们对Pd-Cu合金复合膜的研究热情日益高涨。本文采用化学镀的方法制备性能稳定的透氢Pd-Cu合金复合膜。Pd-Cu合金复合膜的制备过程主要分为三部分:一、复合膜载体部分,经过对多种载体性能的综合对比,得出多孔不锈钢（PSS）材料具有耐高温、高压、有良好的机械强度、容易焊接加工,而且其热膨胀系数与钯合金比较匹配等优点,因此本试验选用多孔不锈钢作为载体;二、首先对不锈钢进行预处理,然后利用溶胶-凝胶CeO2成膜技术对不锈钢表面进行修饰,从而减小其表面的孔径同时使其表面更加光滑,便于获得均匀致密的Pd-Cu合金膜;三、对修饰过的不锈钢表面进行活化后,利用化学镀的方法在其表面连续镀Pd膜和Cu膜,干燥后在程序升温炉中将其合金化。最后成功制备了Pd-Cu合金复合膜。利用扫描电镜（SEM）观察制备的Pd-Cu合金复合膜表面形貌,通过断面的照片得出Pd-Cu合金膜的厚度,结果显示,利用化学镀的方法在修饰过的不锈钢上制得了致密均匀的Pd-Cu合金膜;X-射线衍射技术（XRD）表征结果确定了膜层中CeO2、Pd、Cu及Pd-Cu合金的晶型和晶粒大小;光电子能谱（XPS）测定了Pd-Cu合金膜的组成;最后利用自制的渗透装置对Pd-Cu合金复合膜进行渗透性能测量,发现该膜的选择性能很好,稳定后达到了较高的透氢通量;本文最后,分析了影响Pd-Cu合金复合膜性能的一些表观及实质因素,结果表明,合金膜的组成、膜表面形貌、合金膜厚度、合金膜的结构、渗透温度以及渗透压力对透氢速率都有影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 钯膜透氢原理
• 1.2.1 “溶解-扩散”机理
• 1.2.2 “质子-电子”机理
• 1.3 钯膜的渗透性研究
• 1.4 金属膜的制备方法
• 1.4.1 无电化学镀（Electroless plating）
• 1.4.2 改进的无电化学镀过程
• 1.4.3 电镀法（Electroplating）
• 1.4.4 物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）
• 1.4.5 溅射（sputtering）和碾压（rolling）
• 1.4.6 制备方法的比较
• 1.5 金属钯膜的应用与展望
• 2修饰多孔不锈钢基体'>第二章 CeO₂修饰多孔不锈钢基体
• 2.1 前言
• 2.1.1 复合膜基体材料
• 2.1.2 采用溶胶-凝胶法修饰多孔不锈钢基体
• 2 的性质'>2.1.3 CeO₂的性质
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验药品材料
• 2.2.2 多孔不锈钢基体的预处理
• 2溶胶及CeO₂ 中间层的制备过程'>2.2.3 CeO₂溶胶及CeO₂中间层的制备过程
• 2.3 实验结果与分析
• 2.3.1 SEM结果讨论
• 2.3.2 XRD晶相分析
• 2.3.3 TPR结果
• 第三章 Pd-Cu 合金复合膜的制备
• 3.1 前言
• 3.1.1 Pd-Cu合金膜的研究现状及发展趋势
• 3.1.2 无电镀金属膜的化学原理
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验药品材料
• 3.2.2 化学镀Pd膜
• 3.2.3 化学镀Cu膜
• 3.2.4 双镀层（Pd/Cu）合金化
• 3.3 实验结果分析与讨论
• 3.3.1 SEM表面形貌分析
• 3.3.2 X-射线衍射分析
• 3.3.3 XPS表面组成分析
• 第四章 Pd-Cu合金复合膜渗透性能研究
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验材料及仪器设备
• 4.2.2 实验原理及过程
• 4.3 实验结果与分析
• 4.3.1 Pd-Cu合金复合膜稳定透氢量的测试
• 4.3.2 透氢通量与温度和压力的关系
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢