【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于膜分離，更具體地說(shuō)，涉及一種釩氧化物、制備方法及其作為監(jiān)測(cè)氫氣擴(kuò)散的拉曼指示劑和在氫氣分離膜中的應(yīng)用。
技術(shù)介紹
1、在當(dāng)前碳中和的大背景下，隨著氫能源的戰(zhàn)略地位日益突顯，如何高效地從工業(yè)副產(chǎn)品中分離出氫氣成為一個(gè)迫切需要解決的技術(shù)問題。傳統(tǒng)的分離方法，如蒸餾、壓縮冷凝或吸附，往往伴隨著高能耗或需要使用特定的添加劑，而膜分離技術(shù)因其經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境友好性逐漸成為優(yōu)選。特別是，隨著二維材料技術(shù)的發(fā)展，如mxene、層狀硅酸鹽(rub-15)、金屬有機(jī)框架(mofs)等材料為制備具有高分離性能的膜材料提供了新的可能性。
2、這些二維納米片材料能夠平行堆疊，形成超薄而具有納米級(jí)通道的膜結(jié)構(gòu)，通過這些納米通道能有效地排除大分子氣體，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氫氣的高選擇性透過。然而，實(shí)際應(yīng)用中這種膜的分離效率，特別是選擇性和透過性，往往受到膜中傳輸通道幾何形狀的顯著影響。研究表明，膜中平行或垂直于二維材料的傳輸通道在擴(kuò)散阻力方面表現(xiàn)出不同特性。盡管如此，目前尚不清楚這些不同的通道取向如何具體影響基于上述材料的選擇性膜的性能，這種不確定性加劇了理論模型與實(shí)際應(yīng)用之間的差距。監(jiān)測(cè)基于二維材料的分離膜中的質(zhì)量擴(kuò)散一直是一大挑戰(zhàn)。目前，一些嘗試已經(jīng)使用透射電子顯微鏡、超分辨率熒光顯微鏡和掃描電化學(xué)顯微鏡等技術(shù)來(lái)跟蹤離子擴(kuò)散路徑。相比之下，追蹤氣體分子尤其是氫氣的擴(kuò)散過程則更加困難，因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)的界面和表面表征技術(shù)中氣體分子缺乏清晰的擴(kuò)散蹤跡。此外，由于氫氣分子的非極性特性，它們與極性材料或帶電材料之間的相互作用極為有限，使得其吸附過程難以進(jìn)
3、因此，本領(lǐng)域迫切需要一種能夠有效用于氫氣分離膜中氫氣擴(kuò)散的監(jiān)測(cè)方法，并希望進(jìn)一步獲知?dú)錃庠诙S膜中的擴(kuò)散路徑的方法，以便準(zhǔn)確并客觀地揭示氫氣通過選擇性膜的行為，從而提高氣體分離技術(shù)的效率并降低研發(fā)成本。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、1.要解決的問題
2、本專利技術(shù)的第一目的是，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中氫氣難以監(jiān)測(cè)的問題，提供一種釩氧化物，該釩氧化物在與氫氣接觸時(shí)，具有改變的拉曼光譜，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氫氣的監(jiān)測(cè)。
3、在本專利技術(shù)第一目的基礎(chǔ)上，所述釩氧化物可以作為用于監(jiān)測(cè)氫氣擴(kuò)散的拉曼指示劑。
4、本專利技術(shù)的第二目的是，針對(duì)現(xiàn)有氫氣在二維材料基選擇性膜中的擴(kuò)散路徑難以監(jiān)測(cè)的問題，本專利技術(shù)提供了一種氫氣分離膜，使所述釩氧化物負(fù)載在氫氣分離膜基膜表面，通過釩氧化物拉曼光譜指示氫氣在氫氣分離膜基膜中是否透過以及擴(kuò)散路徑。
5、2.技術(shù)方案
6、本專利技術(shù)中，首次發(fā)現(xiàn)vox在與氫氣接觸后會(huì)發(fā)生特定拉曼峰的規(guī)律變化，基于此，本專利技術(shù)提出一種基于釩氧化物作為指示劑的策略，通過共焦拉曼光譜技術(shù)探測(cè)氫氣(h2)的存在及其在二維的氫氣分離膜基膜中的傳輸路徑。本專利技術(shù)中利用氫氣與指示劑的相互作用引發(fā)的拉曼光譜變化來(lái)定位氫氣在膜中的傳輸軌跡，這種方法不僅能夠揭示氫氣通過膜的路徑，還能通過分析氫氣導(dǎo)致的指示劑相變來(lái)評(píng)估膜的選擇性透過性，從而為設(shè)計(jì)和制造高效的氫氣分離膜提供了新的方向和技術(shù)支持。
7、[釩氧化物的制備方法]
8、本專利技術(shù)第一方面提供一種釩氧化物的制備方法，包括采用化學(xué)氣相沉積法(cvd)，在氬氣和氫氣形成的混合氣氛下，以氯化釩和五氧化二釩為原料，在500℃±10℃溫度條件下生長(zhǎng)5～15min得到所述釩氧化物的步驟。
9、在上述的溫度范圍、混合氣氛下，能夠形成釩氧化物(vox)，所述釩氧化物在與氫氣接觸后，釩氧化物發(fā)生相變進(jìn)而導(dǎo)致拉曼峰強(qiáng)發(fā)生變化，具體地，釩氧化物從m1相轉(zhuǎn)變?yōu)榻鸺t石相，在197cm-1處顯示出衰減的拉曼峰，從而可以實(shí)現(xiàn)氫氣的監(jiān)測(cè)。
10、作為本專利技術(shù)第一方面任一實(shí)施方式的優(yōu)選，所述五氧化二釩中含有氯化鈉，所述氯化鈉的質(zhì)量占五氧化二釩和氯化鈉總質(zhì)量的10～20％。其中，氯化鈉的存在可以促進(jìn)五氧化二釩的升華，使五氧化二釩能夠在反應(yīng)中轉(zhuǎn)移至氣相并與氯化釩反應(yīng)生成釩氧化物。
11、作為本專利技術(shù)第一方面任一實(shí)施方式的優(yōu)選，所述氬氣和氫氣形成的混合氣氛中氬氣和氫氣的體積比為(1.8～2.2)：1。優(yōu)選地，所述氬氣和氫氣形成的混合氣氛中氬氣和氫氣的體積比為2：1。例如通入氬氣流量為10sccm以及h2流量為5sccm形成的混合氣體。
12、需要說(shuō)明的是，所述氬氣和氫氣形成的混合氣氛中氬氣和氫氣的體積比應(yīng)當(dāng)控制在上述的范圍內(nèi)，以保證釩氧化物在應(yīng)用時(shí)具有足夠的拉曼響應(yīng)。
13、[釩氧化物]
14、本專利技術(shù)第二方面提供通過本專利技術(shù)第一方面的制備方法制備得到的釩氧化物，所述釩氧化物在532nm激發(fā)波長(zhǎng)下，具有197±1cm-1的拉曼峰。在此，可以將在532nm激發(fā)波長(zhǎng)下具有197±1cm-1的拉曼峰作為制備得到了具有氫氣響應(yīng)功能的釩氧化物的標(biāo)志，當(dāng)制備得到的釩氧化物滿足這一條件時(shí)，其可以用于氫氣的監(jiān)測(cè)。
15、[用于監(jiān)測(cè)氫氣擴(kuò)散的拉曼指示劑]
16、本專利技術(shù)第三方面提供一種用于監(jiān)測(cè)氫氣擴(kuò)散的拉曼指示劑，所述拉曼指示劑包含本專利技術(shù)第二方面所述的釩氧化物，相比于未與氫氣接觸，所述拉曼指示劑在與氫氣接觸后，在532nm激發(fā)波長(zhǎng)下位于197±1cm-1處的拉曼峰面積減小。
17、與本專利技術(shù)第一方面的原理相同，所述釩氧化物在與氫氣接觸后，釩氧化物從m1相轉(zhuǎn)變?yōu)榻鸺t石相，在197cm-1處顯示出衰減的拉曼峰強(qiáng)，從而可以實(shí)現(xiàn)氫氣的監(jiān)測(cè)，因此釩氧化物可以作為或者可以作為組分之一構(gòu)成用于監(jiān)測(cè)氫氣擴(kuò)散的拉曼指示劑。
18、作為本專利技術(shù)第三方面任一實(shí)施方式的優(yōu)選，所述釩氧化物為釩氧化物二維膜，所述釩氧化物二維膜厚度為20～50nm。
19、需要說(shuō)明的是，作為拉曼指示劑的釩氧化物為二維膜時(shí)，其厚度應(yīng)當(dāng)在上述的適當(dāng)范圍內(nèi)，當(dāng)厚度過高時(shí)，例如高于50nm時(shí)，距離氫氣較遠(yuǎn)的釩氧化物晶相結(jié)構(gòu)變化較慢，難以從拉曼光譜中監(jiān)測(cè)到變化；而當(dāng)厚度過薄時(shí)，例如低于20nm時(shí)，容易出現(xiàn)釩氧化物膜不連續(xù)的情形，影響其作為有效監(jiān)測(cè)的膜結(jié)構(gòu)。
20、優(yōu)選地，所述釩氧化物二維膜厚度為25～40nm。
21、進(jìn)一步優(yōu)選地，所述釩氧化物二維膜厚度為25～35nm。在此厚度范圍內(nèi)，能夠保證較大的拉曼響應(yīng)信號(hào)變化。
22、[用于監(jiān)測(cè)氫氣擴(kuò)散的拉曼指示劑在檢測(cè)氫氣中的應(yīng)用]
23、本專利技術(shù)第四方面提供本專利技術(shù)第三方面所述的用于監(jiān)測(cè)氫氣擴(kuò)散的拉曼指示劑在檢測(cè)氫氣中的應(yīng)用，包括：
24、在532nm激發(fā)波長(zhǎng)下檢測(cè)未與氫氣接觸的所述拉曼指示劑的拉曼光譜；
25、使所述拉曼指示劑與氫氣在150～250℃下接觸1～4h；
26、在532nm激發(fā)波長(zhǎng)下檢測(cè)與氫氣接觸后的所述拉曼指示劑的拉曼光譜；
27、相比于未與氫氣接觸，所述拉曼指示劑在與氫氣接觸后，位于197±1cm-1處的拉曼峰面積減小。
28、拉曼峰面積及其比值通過下述方法確定：
29、以未與氫氣接觸的拉曼指示劑作為參考，其在532nm激發(fā)本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.釩氧化物的制備方法，其特征在于，包括采用化學(xué)氣相沉積法，在氬氣和氫氣形成的混合氣氛下，以氯化釩和五氧化二釩為原料，在500℃±10℃溫度條件下生長(zhǎng)5～15min得到所述釩氧化物的步驟。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的釩氧化物的制備方法，其特征在于，所述五氧化二釩中含有氯化鈉，所述氯化鈉的質(zhì)量占五氧化二釩和氯化鈉總質(zhì)量的10～20％。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的釩氧化物的制備方法，其特征在于，所述氬氣和氫氣形成的混合氣氛中氬氣和氫氣的體積比為(1.8～2.2)：1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1～3中任意一項(xiàng)所述的釩氧化物的制備方法得到的釩氧化物，所述釩氧化物在532nm激發(fā)波長(zhǎng)下，具有197±1cm-1的拉曼峰。
5.用于檢測(cè)氫氣擴(kuò)散的拉曼指示劑，其特征在于，所述拉曼指示劑包含權(quán)利要求4所述的釩氧化物，相比于未與氫氣接觸，所述拉曼指示劑在與氫氣接觸后，在532nm激發(fā)波長(zhǎng)下位于197±1cm-1處的拉曼峰面積減小。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于監(jiān)測(cè)氫氣擴(kuò)散的拉曼指示劑，其特征在于，所述釩氧化物為釩氧化物二維膜，所述釩氧化物二維膜厚度為
7.權(quán)利要求5或6所述的用于監(jiān)測(cè)氫氣擴(kuò)散的拉曼指示劑在檢測(cè)氫氣中的應(yīng)用，其特征在于，包括：
8.氫氣分離膜，其特征在于，包含：
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的氫氣分離膜，其特征在于，所述氫氣分離膜基膜的厚度為20～100nm；
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的氫氣分離膜，其特征在于，所述氫氣分離膜基膜選自具有直徑在10～20nm孔的Mxene、沸石RUB-15中的一種。
...【技術(shù)特征摘要】
1.釩氧化物的制備方法，其特征在于，包括采用化學(xué)氣相沉積法，在氬氣和氫氣形成的混合氣氛下，以氯化釩和五氧化二釩為原料，在500℃±10℃溫度條件下生長(zhǎng)5～15min得到所述釩氧化物的步驟。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的釩氧化物的制備方法，其特征在于，所述五氧化二釩中含有氯化鈉，所述氯化鈉的質(zhì)量占五氧化二釩和氯化鈉總質(zhì)量的10～20％。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的釩氧化物的制備方法，其特征在于，所述氬氣和氫氣形成的混合氣氛中氬氣和氫氣的體積比為(1.8～2.2)：1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1～3中任意一項(xiàng)所述的釩氧化物的制備方法得到的釩氧化物，所述釩氧化物在532nm激發(fā)波長(zhǎng)下，具有197±1cm-1的拉曼峰。
5.用于檢測(cè)氫氣擴(kuò)散的拉曼指示劑，其特征在于，所述拉曼指...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：周凱歌，蘭瀾，翟燁銘，賀偉軍，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：天津大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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