多层级OPBI-PANI复合膜：面向水煤气变换工艺中温氢分离的孔隙-致密层协同设计

本研究针对水煤气变换(WGS)反应余热利用中的H2 分离难题，创新性地采用非溶剂致相分离(NIPS)技术结合聚苯并咪唑(PBI)/聚苯胺(PANI)纳米复合策略，开发出具有200 nm超薄致密层的p-OPBI-PANI双相膜。该膜在120-300o C工况下实现120 GPU的H2 渗透通量与205的H2 /N2 选择性，兼具抗硫化氢(H2 S)和耐湿稳定性，为工业苛刻环境下的氢纯化提供了新型膜材料解决方案。

　　

在全球能源转型背景下，氢能作为零碳能源载体备受关注。工业制氢主要通过化石燃料重整过程，其中水煤气变换(WGS)反应是关键步骤，但传统分离技术如变压吸附(PSA)能耗高、效率低。膜分离技术虽具潜力，但现有材料难以兼顾高温稳定性与分离性能：金属膜成本高昂且易氢脆，聚合物膜普遍存在"渗透性-选择性"权衡效应。聚苯并咪唑(PBI)因其优异热稳定性被视为理想候选，但其致密链堆叠结构导致渗透性不足。如何突破材料限制，开发兼具高渗透通量、选择性和环境耐受性的分离膜，成为氢能产业链的核心挑战。

山东齐能高新材料科技有限公司等机构的研究团队在《Journal of Membrane Science》发表研究，通过创新性设计多层级OPBI-PANI复合膜解决了这一难题。研究人员采用非溶剂致相分离(NIPS)技术，以邻苯二甲酸二丁酯(DBP)为造孔剂，结合聚苯胺(PANI)纳米填料改性，构建了具有200 nm超薄致密层的非对称双相膜。关键实验技术包括：相行为调控的NIPS成膜工艺、纳米填料分散复合技术、膜形态的扫描电镜(SEM)与原子力显微镜(AFM)表征、高温气体渗透测试系统，以及复杂气体环境(含H₂
S/水蒸气)下的长期稳定性评估。

制备与形成机制
通过调控DBP(13 wt%)和PANI(10 wt%)浓度，实现热力学诱导的相分离。快速溶剂挥发导致表面致密层形成，而本体相分离产生指状孔-海绵孔分级结构。PANI纳米颗粒既干扰PBI链堆叠增加自由体积，又通过掺杂态变化增强选择性。

性能突破
优化后的p-13-OPBI-PANI-10膜展现13.5倍于纯PBI膜的H₂
渗透性(120 GPU)，H₂
/N₂
选择性达205，突破Robeson上限。在含50 ppm H₂
S和80%相对湿度条件下连续运行100小时性能无衰减，归因于PBI的化学惰性和PANI的氧化还原缓冲能力。

结论与意义
该研究创立了"孔隙工程-纳米增强"协同的膜设计范式：DBP诱导的分级孔隙提升传质效率，PANI调控的自由体积与选择性吸附实现分子筛分。相比传统Pd膜，成本降低90%且规避氢脆风险；相较于普通聚合物膜，工作温度窗口拓宽至300^o
C。这种"工艺-结构-性能"的可控关联为工业废气制氢、燃料电池氢纯化等场景提供了变革性解决方案，推动氢能产业链降本增效。特别值得注意的是，该技术可直接集成于现有WGS反应器，利用反应余热实现原位分离，使整体能耗降低约40%，展现出显著的工程应用价值。