Jeong In, Lee;Min Chang, Shin;Xuelong, Zhuang;Jae Yeon, Hwang;Chang-Hun, Jeong;Jung Hoon, Park
Membrane Journal
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v.32
no.6
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pp.456-464
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2022
Hydrogen permeation performance was analyzed by manufacturing Pd and Pd-Cu membranes through electroless plating. As a support for the Pd and Pd-Cu membranes, α-Al2O3 ceramic hollow fiber were used. Pd-Cu membrane was manufactured through sequential electroless plating, and then annealing was performed at 500°C, for 18 h in a hydrogen atmosphere to make Pd and Cu alloy. After annealing, the Pd-Cu membrane confirmed that the alloy was formed through EDS (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) and XRD (X-ray Diffraction) analysis. In addition, the thickness of the Pd and Pd-Cu plating layers were measured to be about 3.21 and 3.72 µm, respectively, through SEM (Scanning Electron Microscope) analysis. Hydrogen permeation performance was tested for hydrogen permeation in the range of 350~450°C and 1~4 bar in hydrogen single gas and mixed gas (H2, N2). In a single hydrogen gas, Pd and Pd-Cu membranes have flux of up to 54.42 and 67.17 ml/cm2⋅ min at 450 °C and 4 bar. In the mixed gas, it was confirmed that the separation factors of 1308 and 453 were obtained under the conditions of 450 °C and 4 bar.
Hydrogen as a high-quality and clean energy carrier has attracted renewed and ever-increasing attention around the world in recent years, mainly due to developments in fuel cells and environmental pressures including climate change issues. In this processes for hydrogen production from fossil fuels, separation and purification is a critical technology. $(Ni_{60}-Nb_{40})_{95}-Pd_5$ alloy ingots were prepared by arc-melting the mixture of pure metals in an Ar atmosphere. Melt-spun ribbons were produced by the single-roller melt-spinning technique in an Ar atmosphere. Amorphous structure and thermal behavior were characterized by XRD and DSC. The permeability of the $(Ni_{60}-Nb_{40})_{95}-Pd_5$ amorphous alloy membrane was characterized by hydrogen permeation experiments in the temperature range 623 to 773 K and pressure of 2 bars. The maximum hydrogen permeability was $3.54{\times}10^{-9}[mol{\cdot}m^{-1}s^{-1}{\cdot}pa^{-1/2}]$ at 773 K for the $(Ni_{60}-Nb_{40})_{95}-Pd_5$ amorphous alloy.
Kim, Chang-Hyun;Lee, Jun-Hyung;Jo, Sung-Tae;Kim, Dong-Won
Journal of Surface Science and Engineering
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v.48
no.1
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pp.11-22
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2015
Pd alloy hydrogen membranes for hydrogen purification and separation need thermal stability at high temperature for commercial applications. Intermetallic diffusion between the Pd alloy film and the porous metal support gives rise to serious problems in long-term stability of Pd alloy membranes. Ceramic barriers are widely used to prevent the intermetallic diffusion from the porous metal support. However, these layers result in poor adhesion at the interface between film and barrier because of the fundamentally poor chemical affinity and a large thermal stress. In this study, we developed Pd alloy membranes having a dense microstructure and saturated composition on modified metal supports by advanced DC magnetron sputtering and heat treatment for enhanced thermal stability. Experimental results showed that Pd-Cu and Pd-Ag alloy membranes had considerably enhanced long-term stability owing to stable, dense alloy film microstructure and saturated composition, effective diffusion barrier, and good adhesive interface layer.
It is generally recognized that thin Pd-Cu alloy films fabricated by sputtering show a wide range of microstructures and properties, both of which are highly dependent on the sputtering conditions. In view of this, the present study aims to investigate the relationship between the performance of hydrogen separation membranes and the microstructure of Pd alloy films depending on sputtering deposition conditions such as substrate temperature, working pressure, and DC power. We fabricated thin and dense Pd-Cu alloy membranes by the micro-polishing of porous Ni support, an advanced Pd-Cu sputtered multi-deposition under the conditions of high substrate temperature / low working pressure / high DC power, and a followed by Cu-reflow heat-treatment. The result of a hydrogen permeation test indicated that the selectivity for $H_2/N_2$ was infinite because of the void-free and dense surface of the Pd alloy membranes, and the hydrogen permeability was 10.5 $ml{\cdot}cm^{-2}{\cdot}min^{-1}{\cdot}atm^{-1}$ for a 6 ${\mu}m$ membrane thickness.
Sung Woo Han;Min Chang Shin;Xuelong Zhuang;Jae Yeon Hwang;Min Young Ko;Si Eun Kim;Chang Hoon Jung;Jung Hoon Park
Membrane Journal
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v.34
no.1
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pp.50-57
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2024
In this experiment, Pd-Ag-Cu membrane was manufactured using electroless plating on an α-Al2O3 support. Pd, Ag and Cu were each coated on the surface of the support through electroless plating and heat treatment was performed for 18 h at 500℃ in H2 in the middle of electroless plating to form Pd alloy. The surface of the Pd-Ag-Cu membrane was observed through Scanning Electron Microscopy (SEM), and the thickness of the Pd membrane was measured to be 7.82 ㎛ and the thickness of the Pd-Ag-Cu membrane was measured to be 3.54 ㎛. Energy dispersive X-ray spectroscopy and X-ray diffraction analysis confirmed the formation of a Pd-Ag-Cu alloy with a composition of Pd-78wt%, Ag-8.81wt% and Cu-13.19wt%. The gas permeation experiment was conducted under the conditions of 350~450℃ and 1~4 bar in H2 single gas and H2/N2 mixed gas. The maximum H2 flux of the hydrogen separation membrane measured in H2 single gas is 74.16 ml/cm2·min at 450℃ and 4 bar for the Pd membrane and 113.64 ml/cm2·min at 450℃ and 4 bar for the Pd-Ag-Cu membrane. In the case of the separation factor measured in H2/N2 mixed gas, separation factors of 2437 and 11032 were measured at 450℃ and 4 bar.
Kim, Nak-Cheon;Kim, Se-Hong;Lee, Jin-Beum;Kim, Hyun-Hee;Yang, Ji-Hye;Kim, Dong-Won
Journal of Surface Science and Engineering
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v.49
no.3
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pp.286-300
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2016
Pd-Ag alloy membranes have attracted a great deal of attention for their use in hydrogen purification and separation due to their high theoretical permeability, infinite selectivity and chemical compatibility with hydro-carbon containing gas streams. For commercial application, Pd-based membranes for hydrogen purification and separation need not only a high perm-selectivity but also a stable long-term durability. However, it has been difficult to fabricate thin, dense Pd-Ag alloy membranes on a porous stainless steel metal support with surface pores free and a stable diffusion barrier for preventing metallic diffusion from the porous stainless steel support. In this study, thin Pd-Ag alloy membranes were prepared by advanced Pd/Ag/Pd/Ag/Pd multi-layer sputter deposition on the modified porous stainless steel support using rough polishing/$ZrO_2$ powder filling and micro-polishing surface treatment, and following Ag up-filling heat treatment. Because the modified Pd-Ag alloy membranes using rough polishing/$ZrO_2$ powder filling method demonstrate high hydrogen permeability as well as diffusion barrier efficiency, it leads to the performance improvement in hydrogen perm-selectivity. Our membranes, therefore, are expected to be applicable to industrial fields for hydrogen purification and separation owing to enhanced functionality, durability and metal support/Pd alloy film integration.
No investigation has yet been accomplished to screen the boron-doped effects on vanadium based metal membranes. The synthesis, hydrogen permeation properties and chemical stability of a novel Pd-coated $V_{99.8}B_{0.2}$ alloy membrane are presented in this report. Hydrogen permeation experiments have been performed to investigate the hydrogen transport properties through the Pd-coated $V_{99.8}B_{0.2}$ alloy membrane in the absolute pressure range 1.0~3.0 bar under pure hydrogen, hydrogen-carbon dioxide gas mixture at $400^{\circ}C$. The maximum hydrogen permeation flux was $48.5mL/min/cm^2$ for a 0.5 mm thick membrane under pure hydrogen. This results offer new direction in the synthesis of novel non-Palladium-based metal membranes for hydrogen separation in water-gas shift reaction.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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