Hydrogen permeability through surface-modified Pd76Ag14Au10 membranes

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Palladium-containing membranes are used for hydrogen separation and purification. However, for sufficiently thin membranes, the permeation flux can be limited by the kinetics of surface processes. In the present study, in order to overcome the limitation of the transition through the surface, the developed Pd76Ag14Au10 alloy membranes were modified with a nanostructured surface layer. The modification was carried out by deposition of penta-branched bimetallic Pd-Pt nanoparticles on the membrane surface. An increase in the hydrogen flux was observed in a wide temperature range (25°–400°C). The highest values of the permeation flux density were demonstrated for membranes with a penta-branched modifier – up to 52.43 mmol s–1 m–2 at 400°C. It is assumed that the complex morphology of the nanoparticles, as well as the presence of a synergistic effect from the combination of Pd and Pt, contribute to a decrease in activation barriers and an increase in catalytic activity. The developed membranes demonstrated high and stable selectivity over time, which opens up wide possibilities for their use in steam reforming reactors for producing high-purity hydrogen.

About the authors

P. D. Pushankina

Kuban State University

Email: petriev_iliya@mail.ru
Russian Federation, 350040, Krasnodar

A. I. Simonov

Kuban State University

Email: petriev_iliya@mail.ru
Russian Federation, 350040, Krasnodar

S. S. Dzhimak

Kuban State University; Scientific Center of the Russian Academy of Sciences

Email: petriev_iliya@mail.ru
Russian Federation, 350040, Krasnodar; 344006, Rostov-on-Don

I. S. Petriev

Kuban State University; Scientific Center of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: petriev_iliya@mail.ru
Russian Federation, 350040, Krasnodar; 344006, Rostov-on-Don

References

  1. Филиппов С.П., Ярославцев А.Б. // Успехи химии. 2021. Т. 90. № 6. С. 627. (англоязычная версия: Filippov S.P., Yaroslavtsev A.B. // Russ. Chem. Rev. 2021. V. 90. № 6. P. 627.) https://doi.org/10.1070/RCR5014
  2. Kovalskii A.M., Matveev A.T., Popov Z.I., Volkov I.N., Sukhanova E.V., Lytkina A.A., Yaroslavtsev A.B., Konopatsky A.S., Leybo D.V., Bondarev A.V., Shchetinin I.V., Firestein K.L., Shtansky D.V., Golberg D.V. // J. Chem. Eng. 2020. V. 395. P. 125109. https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.125109
  3. Mazloomi K., Gomes C. // Renew. Sustain. Energy Rev. 2012. V. 16. № 5. P. 3024. https://doi.org/10.1016/j.rser.2012.02.028
  4. Raven P., Wackernagel M. // Plant Divers. 2020. V. 42. № 4. P. 211. https://doi.org/10.1016/j.pld.2020.06.002
  5. Qiao Y., Jiang W., Li Y. Dong X., Yang F. // Energy. 2024. V. 302. P. 131792. https://doi.org/10.1016/j.energy.2024.131792
  6. Rahimpour M.R., Bayat M. // Int. J. Hydrogen Energy. 2011. V. 36. № 11. P. 6616. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2011.02.095
  7. Pal N., Agarwal M. // Int. J. Hydrogen Energy. 2021. V. 46. № 53. P. 27062. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.05.175
  8. Миронова Е.Ю., Донцов А.И., Морозова Н.Б., Горбунов С.В., Иевлев В.М., Ярославцев А.Б. // Неорганические материалы. 2021. Т. 57. № 8. С. 819. (англоязычная версия: Mironova E.Y., Dontsov A.I., Morozova N.B., Gorbunov S.V., Ievlev V.M., Yaroslavtsev A. B. // Inorg. Mater. 2021. V. 57. № 8, P. 781.) https://doi.org/10.1134/S0020168521080057
  9. Stenina I., Yaroslavtsev A. // Processes. 2023. V. 11. № 1. P. 56. https://doi.org/10.3390/pr11010056
  10. Gao W., Zhou T., Gao Y., Wang Q. // Appl. Energy. 2019. V. 254. P. 113700. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2019.113700
  11. Wang W., Olguin G., Hotza D., Seelro M.A., Fu W., Gao Y., Ji G. // Renew. Sustain. Energy Rev. 2022. V. 160. P. 112124. https://doi.org/10.1016/j.rser.2022.112124
  12. Guo K., Liu M., Wang B., Lou J., Hao Y., Pei G., Jin H. // Sci. Bull. 2024. V. 69. № 8. P. 1109. https://doi.org/10.1016/j.scib.2024.01.028
  13. Lytkina A.A., Orekhova N.V, Ermilova M.M., Petriev I.S., Baryshev M.G., Yaroslavtsev A.B. // Int. J. Hydrogen Energy. 2019. V. 44. № 26. P. 13310. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.03.205
  14. Abbas A.H.M., Cheralathan K.K., Porpatham E., Arumugam S.K. // Renew. Sustain. Energy Rev. 2024. V. 191. P. 114147. https://doi.org/10.1016/j.rser.2023.114147
  15. Диденко Л.П., Бабак В.Н., Семенцова Л.А., Дорофеева Т.В., Чижов П.Е., Горбунов С.В. // Мембраны и мембранные технологии. 2023. Т. 13. № 2. С. 83. https://doi.org/10.1134/S2517751623020038
  16. Sun C., Zheng X., Bai B. // Chem. Eng. Sci. 2019. V. 208. P. 115141. https://doi.org/10.1016/j.ces.2019.07.059
  17. Bernardo G., Araújo T., da Silva Lopes T., Sousa J., Mendes A. // Int. J. Hydrogen Energy. 2020. V. 45. № 12. P. 7313. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.06.162
  18. Апель П.Ю., Велизаров С., Волков А.В., Елисеева Т.В., Никоненко В.В., Паршина А.В., Письменская Н.Д., Попов К.И., Ярославцев А.Б. // Мембраны и мембранные технологии. 2022. Т. 12. № 2. С. 81. https://doi.org/10.1134/S2517751622020032
  19. Юшкин А.А., Балынин А.В., Небесская А.П., Ефимов М.Н., Муратов Д.Г., Карпачева Г.П. // Мембраны и мембранные технологии. 2023. Т. 13. № 6. С. 521. https://doi.org/10.1134/S2517751623060094
  20. Гаврилова Н.Н., Губин С.А., Мячина М.А., Сапунов В.Н., Скудин В.В. // Мембраны и мембранные технологии. 2023. Т. 13. № 6. С. 505. https://doi.org/10.1134/S2517751623060045
  21. Bushkova O.V., Sanginov E.A., Chernyuk S.D., Kayumov R.R., Shmygleva L.V., Dobrovolsky Yu.A., Yaroslavtsev A.B. // Membr. Membr. Technol. 2022. V. 4. № 6. P. 433. https://doi.org/10.1134/S2517751622070010
  22. Карпенко Т.В., Ковалев Н.В., Кириллова К.Р., Ачох А.Р., Мельников С.С., Шельдешов Н.В., Заболоцкий В.И. // Мембраны и мембранные технологии. 2022. Т. 12. № 2. С. 135. https://doi.org/10.1134/S2517751622020056
  23. Атласкин А.А., Крючков С.С., Степакова А.Н., Моисеенко И.С., Цивковский Н.С., Смородин К.А., Петухов А.Н., Атласкина М.Е., Воротынцев И.В.// Мембраны и мембранные технологии. 2023. Т. 13. № 6. С. 464. https://doi.org/10.1134/S2517751623060033
  24. Бутыльский Д.Ю., Мареев С.А., Рыжков И.И., Уртенов М.Х., Апель П.Ю., Никоненко В.В.// Мембраны и мембранные технологии. 2023. Т. 13. № 5. С. 423. https://doi.org/10.1134/S2517751623050025
  25. Фалина И.В., Кононенко Н.А., Шкирская С.А., Демина О.А., Вольфкович Ю.М., Сосенкин В.Е., Грицай М.В. // Мембраны и мембранные технологии. 2022. Т. 12. № 5. С. 323. https://doi.org/10.1134/S2517751622050043
  26. Россоу А., Виноградов И.И., Серпионов Г.В., Горберг Б.Л., Молоканова Л.Г., Нечаев А.Н. // Мембраны и мембранные технологии. 2022. Т. 12. № 4. С. 200. https://doi.org/10.1134/S2517751622030039
  27. Ахмедова Д.А. // Мембраны и мембранные технологии. 2023. Т. 13. № 2. С. 96. https://doi.org/10.1134/S2517751623020026
  28. Ozen H.A., Ozturk B. // Emerg. Mater. Res. 2020. V. 9. № 1. P. 89. https://doi.org/10.1680/jemmr.18.00090
  29. Stenina I.A., Yaroslavtsev A.B. // Membr. Membr. Technol. 2024. V. 6. P. 15. https://doi.org/10.1134/S2517751624010050
  30. Ghalei B., Wakimoto K., Wu C.Y., Isfahani A.P., Yamamoto T., Sakurai K., Higuchi M., Chang B.K., Kitagawa S., Sivaniah E. // Angew. Chem. Int. Ed. 2019. V. 58. № 52. P. 19034. https://doi.org/10.1002/anie.201911359
  31. Inoue R., Kanezashi M., Nagasawa H.K. et al. // Separ. Purif. Technol. 2020. V. 242. P. 116742. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2020.116742
  32. Сафронова Е.Ю., Корчагин О.В., Богдановская В.А., Ярославцев А.Б. // Мембраны и мембранные технологии. 2022. Т. 12. № 6. С. 470. https://doi.org/10.1134/S2517751622060087
  33. Je C.H., Kim H.M. // Int. J. Electrochem. Sci. 2019. V. 14. № 7. P. 6948. https://doi.org/10.20964/2019.07.64
  34. Сафронова Е.Ю., Воропаева Д.Ю., Новикова С.А., Ярославцев А.Б. // Мембраны и мембранные технологии. 2022. Т. 12. № 1. С. 47. https://doi.org/10.1134/S2517751622010073
  35. Liguori S., Iulianelli A., Dalena F., Piemonte V., Huang Y., Basile A. // Int. J. Hydrogen Energy. 2014. V. 39. № 32. P. 18702. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2013.11.113
  36. Миронова Е.Ю., Лыткина А.А., Ермилова М.М., Орехова Н.В., Жиляева Н.А., Рошан Н.Р., Иевлев В.М., Ярославцев А.Б. // Нефтехимия. 2020. Т. 60. № 6. С. 773. (англоязычная версия: Mironova E.Y., Lytkina A.A., Ermilova M.M., Orekhova N.V., Zhilyaeva N.A., Roshan N.R., Ievlev V.M., Yaroslavtsev A.B. // Pet. Chem. 2020. V. 60. № 11. P. 1232.) https://doi.org/10.1134/S0965544120110158
  37. Jokar S.M., Farokhnia A., Tavakolian M., Pejman M., Parvasi P., Javanmardi J., Zare F., Gonçalves M.C., Basile A. // Int. J. Hydrogen Energy. 2023. V. 48. № 16. P. 6451. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.05.296
  38. Pushankina P., Andreev G., Petriev I. // Membranes. 2023. V. 13. № 7. P. 649. https://doi.org/10.3390/membranes13070649
  39. Habib M.A., Harale A., Paglieri S., Alrashed F.S., Al-Sayoud A., Rao M.V., Nemitallah M.A., Hossain S., Hussien M., Ali A., Haque M.A., Abuelyamen A., Shakeel M.R., Mokheimer E.M.A., Ben-Mansour R. // Energy Fuels. 2021. V. 35. № 7. P. 5558. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.0c04352
  40. Zhou Q., Luo S., Zhang M., Liao N. // Int. J. Hydrogen Energy. 2022. V. 47. № 26. P. 13054. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.02.044
  41. Zhang Z., Xu P., Yang D., Yang P., Liao N. // Int. J. Hydrogen Energy. 2024. V. 68. P. 607. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.04.292
  42. Peters T.A., Kaleta T., Stange M., Bredesen R. // J. Membr. Sci. 2011. V. 383. № 1–2. P. 124. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2011.08.050
  43. Melendez J., de Nooijer N., Coenen K., Fernandez E., Viviente J.L., van Sint Annaland M., Arias P.L., Pacheco Tanaka D.A., Gallucci F. // J. Membr. Sci. 2017. V. 542. P. 329. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2017.08.029
  44. Петриев И.С., Пушанкина П.Д., Андреев Г.А. // Мембраны и мембранные технологии. 2023. Т. 13. № 5. С. 412. https://doi.org/10.1134/S2517751623050074
  45. Петриев И.С., Пушанкина П.Д., Луценко И.С., Барышев М.Г. // Письма в журнал технической физики. 2021. Т. 47. № 16. С. 39. (англоязычная версия: Petriev I.S., Pushankina P.D., Lutsenko I.S., Baryshev M.G. // Technical Physics Letters. 2021. V. 47. № 11. P. 803.) https://doi.org/10.1134/S1063785021080216
  46. Петриев И.С., Луценко И.С., Пушанкина П.Д., Фролов В.Ю., Глазкова Ю.С., Мальков Т.И., Гладких А.М., Откидач М.А., Сыпало Е.Б., Барышев П.М., Шостак Н.А., Копытов Г.Ф. // Известия ВУЗов. Физика. 2022. Т. 65. № 2(771). С. 106. (англоязычная версия: Petriev I.S., Lutsenko I.S., Pushankina P.D., Frolov V.Yu., Glazkova Yu.S., Malkov T.I., Gladkikh A.M., Otkidach M.A., Sypalo E.B., Baryshev P.M., Shostak N.A., Kopytov G.F. // Russ. Phys. J. 2022. V. 65. № 2. P. 312.) https://doi.org/10.1007/s11182–022–02637-x
  47. Basov A., Dzhimak S., Sokolov M., Malyshko V., Moiseev A., Butina E., Elkina A., Baryshev M. // Nanomaterials. 2022. V. 12. № 7. P. 1164. https://doi.org/10.3390/nano12071164
  48. Загорский Д.Л., Долуденко И.М., Хайретдинова Д.Р. // Мембраны и мембранные технологии. 2023. Т. 13. № 2. С. 137. https://doi.org/10.1134/S2517751623020075
  49. Petriev I., Pushankina P., Glazkova Y., Andreev G., Baryshev M. // Coatings. 2023. V. 13. № 3. P. 621. https://doi.org/10.3390/coatings13030621
  50. Hai T., Zhou J., Li M., Zain J.M., Wang D., Zheng M. // Int. J. Hydrogen Energy. 2024. V. 67. P. 818. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.07.117
  51. Lachini S.A., Eslami A. // Int. J. Hydrogen Energy. 2024. V. 77. P. 1235. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.06.187
  52. Gajraj V., Devi P., Kumar R., Sundriyal N., Reddy M.V., Mariappan C.R. // Int. J. Hydrogen Energy. 2023. V. 48. № 47. P. 17868. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.01.282
  53. Wang C., Ren X., Cao H., Zuo Y., Zhang P.H. // J. Energy Inst. 2024. V. 114. P. 101639. https://doi.org/10.1016/j.joei.2024.101639
  54. Petriev I., Pushankina P., Shostak N., Baryshev M. // Int. J. Mol. Sci. 2022. V. 23. № 1. P. 228. https://doi.org/10.3390/ijms23010228
  55. Pushankina P., Baryshev M., Petriev I. // Nanomaterials. 2022. V. 12. № 23. P. 4178. https://doi.org/10.3390/nano12234178
  56. Petriev I.S. Pushankina P.D., Andreev G.A., Yaroslavtsev A.B. // Int. J. Hydrogen Energy. 2024. V. 70. P. 404. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.05.201
  57. Petriev I., Pushankina P., Andreev G., Ivanin S., Dzhimak S. // Int. J. Mol. Sci. 2023. V. 24. № 24. P. 17403. https://doi.org/10.3390/ijms242417403
  58. Liu J., Zhang J. // Chem. Rev. 2020. V. 120. № 4. P. 2123. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.9b00443
  59. Peng X., Lu D., Qin Y., Li M., Guo Y., Guo S. // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2020. V. 12. № 27. P. 30336. https://doi.org/10.1021/acsami.0c05868
  60. Li J., Wang C., Zhang Y., Hata S., Zhang K., Ye C., Shiraishi Y., Du Y. // J. Energy Chem. 2023. V. 85. P. 430. https://doi.org/10.1016/j.jechem.2023.06.031
  61. Feng J., Wu J., Yan D., Zhang Y. // Chin. J. Chem. Eng. 2024. V. 70. P. 222. https://doi.org/10.1016/j.cjche.2024.03.014
  62. Ward T.L., Dao T. // J. Membr. Sci. 1999. V. 153. № 2. P. 211. https://doi.org/10.1016/S0376–7388(98)00256–7
  63. Basile A., Iulianelli A., Tong J. Membrane Reactors for Energy Applications and Basic Chemical Production. Sawston, UK: Woodhead Publishing, 2015. 696 p.
  64. Serra E., Perujo A. // J. Nucl. Mater. 1995. V. 223. № 2. P. 157. https://doi.org/10.1016/0022–3115(94)00438–2
  65. Ю.К. Байчток, Ю.А. Соколинский, М.Б. Айзенбуд // Журнал физической химии. 1976. № 6. С. 1543.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences