新方法从重质一氧化碳混合物中提纯氢气

精炼金属、制造化肥和为重型车辆提供燃料电池动力都是需要纯化氢的过程。但是从其他气体的混合物中纯化或分离氢气可能很困难，需要几个步骤。由宾夕法尼亚州立大学化学工程副教授 Chris Arges 领导的一个研究小组证明，可以使用配备新开发的膜材料的泵简化该过程。

研究人员使用电化学氢泵分离和压缩氢气，从称为合成气的燃料气体混合物的回收率为 85%，从传统的水煤气变换反应器出口流的回收率为 98.8%——这是记录的最高值。该团队在ACS Energy Letters 中详细介绍了他们的方法。

据 Arges 称，传统的氢气分离方法采用水煤气变换反应器，这涉及一个额外的步骤。水煤气变换反应器首先将一氧化碳转化为二氧化碳，然后通过吸收过程将氢气从中分离出来。然后，使用压缩机对纯化的氢气进行加压，以便立即使用或储存。

Arges 说，关键是使用高温、质子选择性聚合物电解质膜或 PEM，它可以快速且经济高效地将氢气与二氧化碳、一氧化碳和其他气体分子分离。配备 PEM 和 Arges 开发的其他新材料的电化学泵比传统方法更有效，因为它同时从气体混合物中分离和压缩氢气。它还可以在 200 到 250 摄氏度的温度下运行——比其他高温 PEM 型电化学泵高 20 到 70 度——这提高了它从不需要的气体中分离氢气的能力。

“这是一种有效且可能节省成本的提纯氢气的方法，尤其是在一氧化碳含量较高的情况下，”Arges 说。“从来没有人使用电化学氢泵将氢气提纯到这种程度，其中含有超过 3% 一氧化碳的气体原料，我们通过使用一种相对较新的类别，通过含有高达 40% 一氧化碳的混合物实现了这一目标高温PEM和电极离聚物粘合剂材料。”

为了进行分离，Arges 的团队创造了一个电极“三明治”，其中带有相反电荷的电极形成“面包”，而膜是“熟食肉”。电极离聚物粘合剂材料旨在将电极保持在一起，就像面包的面筋一样。

在泵中，带正电的电极或面包片将氢分解成两个质子和两个电子。质子通过膜或熟肉，而电子使用接触带正电电极的导线通过泵从外部传播。然后质子穿过膜到达带负电的电极并与电子重新结合以重新形成氢。

根据 Arges 的说法，PEM 的工作原理是允许质子通过，但阻止较大的一氧化碳、二氧化碳、甲烷和氮分子通过。为了使电极在氢泵中有效工作，Arges 和他的团队合成了一种特殊的膦酸离聚物粘合剂，作为粘合剂将电极颗粒保持在一起。

“粘合剂对于制造机械坚固的多孔电极是有效的，该电极允许气体传输，因此氢气可以在电催化剂表面发生反应，同时也可以将质子穿梭进出膜，”Arges 说。

研究人员计划研究他们的方法和工具将如何帮助纯化储存在现有天然气管道中的氢气。据 Arges 称，以这种方式分配和储存氢气从未实现过，但却引起了极大的兴趣。他解释说，氢可以帮助通过燃料电池或涡轮发电机发电，以支持基于太阳能或风能的系统以及各种更可持续的应用。

“挑战在于氢气必须以低浓度储存在管道中——低于 5%——因为它会降低管道的性能，但最终用途需要超过 99% 的纯氢气，”Arges 说。

Arges 在路易斯安那州立大学任教期间就这项研究中使用的组件提交了两项美国专利申请。一种是高温 PEM，另一种是使用高温 PEM 和膦酸离聚物电极粘合剂的电化学氢泵。他目前正在为他与妻子 Hiral Arges 共同创立的一家名为 Ionomer Solutions LLC 的初创公司授权该技术。

宾夕法尼亚州立大学化学工程博士生 Deepra Bhattacharya 是该论文的合着者。其他贡献者包括 Gokul Venugopalan，他是科罗拉多州戈尔登国家可再生能源实验室化学和纳米科学研究中心的博士后研究员，也是 Arges 的前博士生;路易斯安那州立大学的化学工程研究人员 Evan Andrews、Luis Briceno-Mena、José Romagnoli 和 John Flake。

美国能源部能源效率和可再生能源办公室资助了这项工作。