[发明专利]一种用于氨分解氢气分离纯化的钒合金膜材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种用于氨分解氢气分离纯化的钒合金膜材料及其制备方法，所述钒合金膜材料包括钒合金及设置在所述钒合金两侧的氢催化层，钒合金的成分表达式为V_aM_bX_c，其中M为能够与V形成固溶体的高熵合金，X为脱氧合金化元素，其中原子百分比含量中，65at％≤a＜100at％，0at％≤b≤30at％，0at％≤c≤5at％，且a+b+c＝100；氢催化层能够催化解离氢分子并渗透氢原子。本发明通过高熵合金组元微合金化，可以使钒合金氢溶解性能小幅下降并保持较高氢扩散性能，从而获得优异的氢渗透性能。同时通过添加适量的脱氧合金元素，可以降低合金缺陷。本发明适用于723K及以上温度的氨分解制氢提纯过程，在新能源领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及氢分离提纯新材料技术领域，具体涉及一种用于氨分解氢气分离纯化的钒合金膜材料及其制备方法。

背景技术

在全球碳中和、碳达峰的背景下，氢能产业飞速发展，氢气制取与提纯更是氢能源应用和氢储能产业中的核心环节。由于液氨成本低、含氢量高和易储运等优点，使得氨分解制氢受到人们的广泛关注。然而氨分解制氢获得的氢气纯度无法满足现代工业的生产需要，需要进一步纯化处理。尤其半导体、航天航空、燃料电池、高能燃料等诸多领域对氢气纯度的要求至少99.999％以上。因此，迫切需要找到一种纯化方法与氨分解制氢相匹配，以实现高效、廉价、可循环的获取高纯氢的目标。

氨分解制氢的反应温度为723K及以上，目前开发的钒合金膜材料主要适用于673K以下。并且为了降低钒合金的低温氢溶解度，提高合金的抗氢脆性能，多采用深度斥氢合金化方法来提高钒合金的低温稳定性，以维持一定的氢渗透通量和较长的持久寿命。然而深度斥氢合金化在降低合金的氢溶解时，也大幅降低了钒合金的氢扩散性能，导致钒合金的氢渗透性能远低于纯钒金属。当工作温度高于673K时，此类方法设计获得的钒合金极易出现和催化层之间的互扩散现象，极大降低了膜材料的渗氢性能和寿命。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于氨分解氢气分离纯化的钒合金膜材料及其制备方法，利用高熵固溶微合金化，小幅降低氢溶解保持高氢扩散性能，提高钒合金膜高温下的渗氢性能(温度≥723K)，可直接应用于氨分解制氢提纯。

本发明采用如下技术方案：

一种用于氨分解氢气分离纯化的钒合金膜材料，包括钒合金及设置在所述钒合金两侧的氢催化层，所述钒合金的成分表达式为V_aM_bX_c，其中M为能够与V形成固溶体的高熵合金，X为脱氧合金化元素，其中原子百分比含量中，65at％≤a＜100at％，0at％＜b≤30at％，0at％≤c≤5at％，且a+b+c＝100；所述氢催化层能够催化解离氢分子并渗透氢原子。

优选地，所述钒合金中V的原子百分比为89％-90％，M的原子百分比为5％-10％，X的原子百分比为0％-1％。

所述钒合金中的M成分的合金元素为W、V、Nb、Ta、Mo、Mn、Ti、Zr、Al、Hf、Cu中的四种及以上。

优选地，所述M成分为WNbMoTa、WNbMoTaV、W_xNbMoTa(x＝0.01～1)、WNbMo_xTa(x＝0.01～1)、WMoNbTaTi、HfNbTaTiZr、HfNbTaZr、Al_xHfNbTaTiZr(x＝0～0.1)中的一种。

所述钒合金中的M成分的高熵合金是等摩尔比高熵合金或非等摩尔比高熵合金。

所述钒合金中的X成分为Cr、Mn、Ti、Al、Mg、以及稀土元素La、Se、Y中的一种或多种。

所述钒合金具有固溶体结构。