Hydrogen separation by nanocrystalline titanium nitride membranes with high hydride ion conductivity

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作者
Chiharu Kura,Yuji Kunisada,Etsushi Tsuji,Chunyu Zhu,H. Habazaki,Shinji Nagata,Michael Müller,Roger A. De Souza,Yoshitaka Aoki
出处
期刊:Nature Energy [Nature Portfolio]
卷期号:2 (10): 786-794 被引量:57
标识
DOI:10.1038/s41560-017-0002-2
摘要

The production of pure hydrogen for use in energy applications and related industries often relies on the permeation of hydrogen through palladium-based membranes. However, the scarcity of Pd reserves necessitates the development of affordable alternatives with high hydrogen permeability. Here we report room-temperature hydrogen permeability of titanium nitrides (widely used as tough and inert coating materials) enabled by mixed hydride ion–electron conductivity. Combined spectroscopic, permeability and microgravimetric measurements reveal that nanocrystalline TiN x membranes feature enhanced grain-boundary diffusion of hydride anions associated with interfacial Ti cations on nanograins. Since the corresponding activation energies are very low (<10 kJ mol–1), these membranes yield a considerably higher room-temperature hydrogen flux than Pd membranes of equivalent thickness. Overall, the current study establishes general guidelines for developing hydride ion transport membranes based on a simple transition metal nitride for hydrogen purification, membrane reactors and other applications. Membranes that can separate hydrogen from mixed gas streams are important for the production of high-purity hydrogen for use in energy applications such as fuel cells. Here the authors demonstrate that titanium nitrides are promising for ambient temperature hydrogen separation via conduction of hydride ions.
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