與可再生能源電解水制氫技術相比，通過提純工業副產氫獲取燃料氫氣是現階段更廉價的制氫方式。金屬氧化物構成的氧離子傳導膜具有對氧100%的選擇性，將高溫水分解反應和工業副產氫燃燒反應耦合在致密氧離子傳導膜的兩側，可實現低純氫氣燃燒反應，進而驅動膜另一側水分解，直接獲得不含一氧化碳的氫氣，用于氫燃料電池。然而，氧離子傳導膜通常暴露在含H2、CO2、H2S、H2O、CH4等氣氛中，因而常見含鈷或鐵的膜材料面臨抗還原腐蝕性能差的問題。因此，亟需開發適用于副產氫提純的氧離子傳導膜，為分布式氫能的發展提供技術支撐。
在前期氧離子傳導膜材料開發基礎的上（Angew.Chem.Int.Ed. 2021，60，5204-5208；Chem.Mater. 2019，31，7487-7492；AIChE J. 2019，65，e16740），近日，中國科學院青島生物能源與過程研究所膜分離與催化研究組研究員江河清提出界面反應-自組裝技術在陶瓷氧化物膜表面構筑一層超薄氧離子傳導致密膜，形成多層結構陶瓷膜，用于穩定高效地提純工業副產氫，制取不含CO的氫氣。與傳統制膜工藝對比，研究利用該技術原位構筑的氧離子傳導膜非常薄（~1 μm），致密并且牢固地粘附在支撐層上，從而既可顯著降低氧離子傳輸阻力，又能避免薄膜分層或剝離，保持多層結構陶瓷膜的完整性。另外，該過程只需一步熱處理，有望降低多層結構陶瓷膜的制備成本。該方法適用于十余種不同的陶瓷體系，具有較好的普適性，其中氧離子傳導薄膜包含Ce0.9Gd0.1O2-δ、Y0.08Zr0.92O2-δ、Ce0.9Pr0.1O2-δ、Ce0.9Sm0.1O2-δ等。科研人員將開發的具超薄氧離子傳導膜的多層結構陶瓷膜作為膜反應器進行工業副產氫提純，在H2、CH4、CO2、H2S、H2O氣氛下連續穩定運行超過1000個小時，展現出優異的穩定性和制氫性能。
該研究開發出的高性能氧離子傳導膜有望為工業副產氫提純、固體氧化物燃料電池/電解池及氧傳感器等提供技術支撐，并為制備其他具功能薄層的高性能多層結構陶瓷提供新策略。近期，相關研究成果發表在《德國應用化學》上，并已申請一項中國發明專利和一項國際專利。
研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中科院國際合作局對外合作重點項目、中科院青年創新促進會等的支持。
界面反應-自組裝技術制備多層結構氧離子傳導膜
（來源：青島生物能源與過程研究所）