一种基于负载铂纳米颗粒的复合纳米纤维膜提高氢气纯度的方法

本发明涉及一种基于负载铂纳米颗粒的复合纳米纤维膜提高氢气纯度的方法，属于气体纯化领域。

背景技术：

1、氢气(h2)被认为是化石燃料的替代品，因为它不会向环境排放碳，而且在使用中具有很高的能量容量(142kj/g)，作为一种可再生、无污染、高效的能源媒介，有望成为能源转型的重要推动力。目前，利用太阳能和风能等各种可再生能源电解水制氢已成为一个热门领域。然而，氢能的潜在风险，如可燃浓度范围广(4～75％)、点火能量低(0.02mj)、扩散系数高(0.61cm2/s)和火焰传播速度大等，都是阻碍氢能大规模利用的风险因素。尤其是氢气中氧的存在会使氢气在较宽的浓度范围内易燃易爆，给氢气的生产和运输带来极大的安全隐患。在许多工业应用中，氢气中去除氧是必需的，例如用于燃料电池、半导体制造、金属加工等。通过除去氧气等杂质，可以确保氢气的纯度达到要求，提高工业生产的效率和产品质量。氧气在某些情况下可能会导致腐蚀和氧化反应，从而损坏设备和管道。通过除氧，可以减少这些不良反应的发生，延长设备的使用寿命，降低维护成本。氢气具有易燃易爆的特性，而氧气是助燃剂。如果氢气中存在氧气，可能会增加火灾和爆炸的风险。通过除氧，可以降低这种风险，提高工作场所的安全性。氧气的存在可能会影响氢气的燃烧效率，通过除氧可以提高氢气的燃烧效率，减少能源的浪费，降低对环境的影响。与此同时，氢气作为未来能源的重要替代品，其应用领域不断扩大。因此，氢气的纯化除氧对于确保氢气的高纯度、设备的安全运行、保障氢能的安全性、产业的可持续发展、符合法规标准以及节能减排等方面具有重要意义。

2、目前氢气纯化的方法有以下几种：

3、吸附法是将氢气通入装有吸附剂的吸附器中，将其中的氧气吸附在吸附剂上，得到除氧后的纯净氢气。但是该方法存在以下不足：(1)吸附剂有一定的寿命，需要定期更换；(2)吸附剂在高压下的容积效应会导致氧气无法完全吸附，需要考虑压缩后再进行吸附。

4、化学吸收法是将氢气通入装有化学吸收剂的吸收器中，使其与氧气发生反应，生成易于分离的化合物，得到除氧后的纯净氢气。但是该方法存在局限性：(1)需要使用化学药剂，消耗性能较大；(2)除氧后产生的废液需要处理，后期成本大。

5、催化剂纯化法是通过将氢气经过催化剂，将杂质催化分解成较小的分子，达到纯化的目的。常用的催化剂有铜、镍等。催化剂纯化法的优点是处理速度快，但其缺点是需要高温和高压，成本较高。

6、膜分离法是利用膜的特殊性质，将杂质和氢气分离，达到纯化目的的技术。常用的膜分离材料包括聚酰胺、聚丙烯等。膜分离法的优点是操作简便，氧气去除率高，但需要高品质的膜材料，成本较高且会产生膜的堵塞和污染等问题。

7、一些氢气纯化除氧技术的设备和材料成本较高，导致投资和运营成本较高，限制了其在大规模工业应用中的推广和应用。同时，以上氢气纯化除氧技术均需要消耗大量能源，或者产生废物和污染物，对环境造成负面影响。此外，氢气纯化除氧设备在长时间运行过程中可能会出现性能不稳定或者设备故障的问题，需要提高设备的稳定性和可靠性。随着氢能技术的发展，一些新型氢能应用对氢气的纯度和纯度稳定性提出了更高的要求，传统的氢气纯化除氧技术可能无法完全适应这些新型应用的需求。解决这些问题需要技术创新和工程实践的不断努力，包括开发更加经济高效的氢气纯化除氧技术、降低能耗和环境影响、提高设备的稳定性和可靠性，以及适应新型氢能应用的需求等。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于负载铂纳米颗粒的复合纳米纤维膜提高氢气纯度的方法。本发明利用静电纺丝法，通过控制纺丝液前驱体的水解氧化，纤维膜在空气中的成分偏析，制备了具有还原性、表面偏析无定型氧化钨的高分子聚合物复合纳米纤维膜。再通过浸渍，获得负载铂纳米颗粒复合纳米纤维膜。纤维膜对氢气十分敏感，在氢气气氛下能够快速从黄色变为深蓝色，在氧气气氛下快速褪色，在铂的催化作用下，氢气能够被快速解离成活性氢原子，氢原子会跟氧气结合生成水。再将纤维膜放入自主设计的氢气提纯装置中组成氢气纯化装置。利用这一装置，待提纯的氢气经过氢气纯化装置后，在室温下实现氢气中杂质氧气的去除，达到提高氢气纯度的目的。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种基于负载铂纳米颗粒的复合纳米纤维膜提高氢气纯度的方法，包括步骤如下：

4、将负载铂纳米颗粒的复合纳米纤维膜裁剪后置于氢气提纯装置中，然后向氢气提纯装置中通入待提纯氢气，经过反应后，去除氧气杂质，提高氢气纯度。

5、根据本发明优选的，所述裁剪后负载铂纳米颗粒的复合纳米纤维膜为直径4cm的圆形。

6、根据本发明优选的，所述负载铂纳米颗粒的复合纳米纤维膜按照如下方法制备：

7、(1)纺丝前驱体溶液的制备

8、将聚丙烯腈加入到n,n-二甲基甲酰胺溶液中，搅拌至聚丙烯腈完全溶解，然后加入六氯化钨，继续搅拌至六氯化钨完全溶解，溶液颜色变为绿色，得到纺丝前驱体溶液；

9、(2)静电纺丝制备复合纳米纤维膜

10、将步骤(1)所得纺丝前驱体溶液进行静电纺丝，静电纺丝完成后在空气湿度为15～30％，温度为20～30℃的条件下静置1～2h，得到复合纳米纤维膜；

11、(3)铂纳米粒子在纳米纤维表面的负载

12、将步骤(2)所得复合纳米纤维膜在20～30℃下，于k2ptcl6溶液中浸泡1～3h，经冲洗和烘干后，得到负载铂纳米颗粒的复合纳米纤维膜。

13、进一步优选的，步骤(1)中，所述聚丙烯腈的重均分子量为9～11万，聚丙烯腈和n,n-二甲基甲酰胺溶液的质量体积比为(0.3～0.5)：3，聚丙烯腈和六氯化钨的质量比为(0.18～1.75)：1。

14、最优选的，所述聚丙烯腈的重均分子量为10万，聚丙烯腈和n,n-二甲基甲酰胺溶液的质量体积比为0.4：3，聚丙烯腈和六氯化钨的质量比为0.3：1。

15、进一步优选的，步骤(2)中，静电纺丝的实验条件如下：纺丝针头为22g(内径为0.15mm)，纺丝距离为15～20cm，纺丝速度为0.5～1ml/h，纺丝电压为20～25kv，滚轮转速为130～170rpm，纺丝湿度为15～25％，温度为20～30℃，纺丝时间8～12h。

16、进一步优选的，步骤(3)中，所述k2ptcl6溶液的浓度为2500～3000ppm，浸泡温度为30℃，浸泡时间为2h。

17、进一步优选的，步骤(3)中，所述冲洗是采用去离子水冲洗2～3次，干燥温度为45～55℃，干燥时间为0.5～1h。

18、根据本发明优选的，所述氢气提纯装置包括通过管道依次连接的提纯前储氢袋、气体流量控制器、球形阀门、气体过滤器、干燥管和提纯后储氢袋；

19、所述气体过滤器包括支撑板和密封盖，所述支撑板内设置有若干个膜放置槽，膜放置槽在支撑板内通过导气口蛇形相连；所述支撑板侧面设置有进气口，与进气口相对的侧面设置有出气口；所述支撑板上表面设置有定位槽，密封盖通过定位槽与支撑板固定。

20、进一步优选的，所述支撑板的尺寸为24×21×1cm3，所述密封盖的尺寸为23×20×0.2cm3。

21、进一步优选的，所述膜放置槽呈圆形凹槽，直径为4cm，深度为6mm，个数为20个，均匀分布在支撑板内；所述进气口与第一个膜放置槽相连通，出气孔与第二十个膜放置槽相连通；所述导气孔的宽度为12mm。

22、进一步优选的，所述气体过滤器是以光固化树脂为材料，通过3d光固化打印机打印获得；所述密封盖材质为透明亚克力板，支撑板和密封盖是通过热熔胶密封。

23、最优选的，所述光固化树脂为刚性树脂，粘度为200～400mpa.s，液体密度为1.05～1.25g/cm3，曝光时间为3s，成型硬度80～88d，固化后的体积收缩率在0.2～0.7％。最大弯曲强度30.115±10％，最大拉伸强度33.781±10％；热熔胶采用的是eva树脂。

24、本发明的技术特点及优良效果如下：

25、1、本发明先制备得到具有还原性、表面偏析的无定型氧化钨/高分子聚合物复合纳米纤维膜，再通过后续的浸泡，将铂纳米颗粒负载到复合纳米纤维膜表面，得到负载铂纳米颗粒的复合纳米纤维膜，具有孔隙率大，透气性好的优点。并且该负载铂纳米颗粒的复合纳米纤维膜通过表面偏析，使得纤维表面功能性组分氧化钨含量更高，在氢气气氛下快速变为蓝色，在氧气等氧化性气氛中会迅速从蓝色褪色，具有和氧气结合反应的功能，反应迅速。同时所需的贵金属含量较少，可以大规模制备，纤维膜稳定性好，可多次、重复利用。

26、2、本发明提供的氢气纯化装置包括通过管道依次连接的提纯前储氢袋、气体流量控制器、球形阀门、气体过滤器、干燥管和提纯后储氢袋，将负载铂纳米颗粒的复合纳米纤维膜依次放置在气体过滤器内，使得气体通过层层负载铂纳米颗粒的复合纳米纤维膜，在室温下实现除氧的效果。同时，该氢气纯化装置可以串联多个气体过滤器，进一步提高氢气纯化效果。且该氢气纯化装置除氧效果稳定，能够重复使用，降低氢气纯化成本。

27、3、本发明将负载铂纳米颗粒的复合纳米纤维膜和自主设计的氢气提纯装置结合，提供了一种提高氢气纯度的方法。该方法利用了氢气在负载铂纳米颗粒的复合纳米纤维膜的催化作用下，能够被快速解离成活性氢原子，氢原子跟氧气结合生成水的特点，通过反应把氧气消耗掉，再通过后续的干燥管将反应生成的水去除，实现了有效去除氢气中的微量杂质氧，提高氢气纯度的目的，达到氢气纯化的效果，除氧率能够达到51.2％以上。并且本发明提供的方法有效解决了现有技术去氧提纯氢气方法大量耗能的缺点，极大地降低了成本。