陶瓷修饰多孔316L不锈钢表面钯膜的制备与性能表征
Preparation and Characterization of Palladium Membranes on Porous 316L Stainless Steel Modified by Ceramic
钯膜对氢气具有优良的选择透过性,可广泛应用于催化、脱氢加氢反应及氢气分离提纯等领域.传统钯膜制备技术以冷轧法为主,获得的钯膜厚度大、成本高,氢渗透效率低.近年来,多孔载体负载钯膜受到了研究人员的广泛关注,钯膜的厚度大幅降低,氢渗透效率显著提高.多孔金属作为钯膜载体,具有密封可靠,机械强度高等优点,是钯膜负载体的研究热点.本文提出利用高温烧结方法在多孔316L不锈钢管表面制备氧化钛陶瓷阻挡层.通过陶瓷阻挡层的制备,显著降低多孔不锈钢载体表面最大孔径,有利于致密连续钯膜的制备.此外,陶瓷阻挡层还可以有效隔离多孔316L不锈钢管载体和钯膜的直接接触,防止高温下二者发生元素互扩散,从而提高钯膜组件的高温稳定性.为了获得高结合强度、孔径分布均匀的陶瓷阻挡层,对比不同陶瓷材料的制备方法和烧结温度,选择浸渍提拉法在多孔316L不锈钢表面制备一层均匀的氧化钛层.在此基础上,采用化学镀法在氧化钛修饰的多孔不锈钢表面制备钯膜和钯银复合膜,并对钯银膜层进行热处理使其合金化.采用X射线衍射(XRD)和扫描电镜-能谱分析(SEM-EDS),氢渗透测试等手段,研究了钯膜的结构、微观形貌和成分分布,测试了钯膜的氢渗透通量,探讨了氢气在钯膜表面的渗透激活能,并对钯膜或钯银膜层进行性能评价.获得如下研究成果:(1)采用浆料提拉法在多孔316L不锈钢表面制备了不锈钢层和氧化钛层.研究了分散剂、粘结剂和烧结气氛对氧化钛微观结构的影响规律.研究表明,多孔316L不锈钢管经不锈钢层减孔后多孔316L不锈钢管表面平均孔径由5μm减小为2.44μm.在此基础上,采用氧化钛浆料浸渍提拉法对不锈钢层减孔处理后的多孔316L不锈钢管表面制备氧化钛层.通过加入0.5wt%分散剂和3wt%粘结剂球磨氧化钛粉体,制备的悬浮液稳定,颗粒分散均匀,有利于均匀氧化钛层的形成.对比了真空和氢气气氛对烧结氧化钛层微观结构的影响,在1000℃下氢气烧结氧化钛层微观结构均匀,颗粒间结合紧密,与多孔316L不锈钢载体结合强度良好.经氧化钛陶瓷层修饰的316L不锈钢载体表面平整、均匀,平均孔径为1.1μm.(2)采用化学镀法在氧化钛层修饰后的多孔316L不锈钢载体表面制备了钯膜.研究表明,传统敏化-活化法活化后的多孔载体表面钯颗粒分布不均匀,不利于化学镀钯的膜层均匀性.而乙酸钯涂覆活化后的载体表面钯颗粒细小、分布均匀.当温度为35℃,pH为11.5时,化学镀方法制备的钯膜均匀、致密,钯膜与载体结合强度良好.对多孔316L不锈钢管负载钯膜进行了氢渗透性能测试,在450℃、0.5MPa压差条件下,钯膜的氢渗透率为1.58*10-3mol·m-2.s-1·Pa-0.5,氢氮选择系数为1700.氢气在钯膜中渗透为体扩散控制过程,氢在钯膜表面的渗透激活能为15.46kJ·mol-1.对氢渗透测试后的钯膜进行了成分分析,钯膜与多孔316L不锈钢载体未发生成分互扩散,说明氧化钛层具有优异的扩散阻挡效果.(3)在钯膜制备的基础上,采用分步化学镀法在多孔316L不锈钢载体表面沉积了钯银膜,并在氢气气氛下对钯银膜热处理使其合金化.结果表明,以柠檬酸钠为还原剂,添加Na2S2O3作为表面活性剂,可获得表面平整、晶粒细小均一的银膜.对氢气气氛下500℃热处理的钯银膜进行氢渗透测试,银在合金膜表面偏析导致钯膜表面氢的吸附活性位减少,明显影响钯银膜的氢渗透率.将钯银膜的热处理温度升高至550℃,研究热处理前后钯银膜的物相变化,热处理后银完全固溶于钯中,钯发生晶格膨胀,钯银形成固溶合金.
- 作者：
- 李梦珠
- 学位授予单位：
- 北京有色金属研究总院
- 专业名称：
- 材料科学与工程
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2019年
- 导师姓名：
- 李帅
- 中图分类号：
- TG174.4；TG142.71
- 关键词：
- 多孔不锈钢；氧化钛；化学镀；钯膜；钯银膜；氢渗透率
- Porous stainless steel; Titania; Electroless plating; Palladium membrane; Palladium-silver membrane; Hydrogen permeation;