质子传导陶瓷四通道中空纤维膜反应器在CO2加氢制合成气中的突破性应用

为解决高温氢分离膜材料H2渗透通量不足及CO2转化效率低的问题，研究人员开发了BaZr0.7Ce0.2Y0.1O3-δ（BZCY）四通道中空纤维膜，通过一步热成型技术实现0.83 mL min?1 cm?2的H2渗透通量，并构建膜反应器将RWGS反应的CO2转化率提升至52.1%（理论极限52.6%），H2/CO比可调范围达0.20-1.12，为工业级CO2资源化提供新策略。

　　

全球气候变暖的严峻形势下，二氧化碳（CO₂）作为主要温室气体，其减排与资源化利用成为科学界焦点。传统CO₂加氢技术依赖高纯度氢气（H₂），而氢气的制备、储存和运输成本高昂，成为制约该技术规模化应用的瓶颈。与此同时，现有氢分离膜材料面临渗透通量低、高温稳定性差等挑战——聚合物膜在200°C以下易失效，金属钯膜虽选择性优异但最高耐受温度仅600°C，无法匹配工业高温场景。混合质子-电子传导（MPEC）陶瓷膜虽具备100% H₂选择性和500-1000°C的宽温域优势，但传统制备工艺中钡（Ba）元素挥发、1600°C以上烧结导致的相分离等问题严重阻碍其商业化进程。

针对这一系列难题，中国国家自然科学基金等项目支持的研究团队在《Separation and Purification Technology》发表重要成果。该团队创新性地采用一步热成型技术（OSTP）制备出BaZr_0.7Ce_0.2Y_0.1O_3-δ（BZCY）四通道中空纤维膜，通过精确控制化学计量比和1520°C烧结工艺，成功解决了钡挥发和致密化难题。基于该膜构建的质子传导陶瓷膜反应器，在反向水煤气变换（RWGS）反应中实现了CO₂转化率52.1%的突破性成绩，几乎触及52.6%的理论极限，并展现出H₂/CO比0.20-1.12的宽幅可调特性。

关键技术方法
研究采用OSTP法将BaCO₃、ZrO₂、CeO₂和Y₂O₃球磨混合后，通过相转化-烧结工艺制备四通道中空纤维膜；利用扫描电镜（SEM）表征膜微观结构；采用气相色谱分析RWGS反应产物；通过机械强度测试验证膜材料稳定性。

Fabrication of BZCY hollow fiber membranes
通过OSTP法制备的BZCY四通道中空纤维膜直径2.42 mm，单通道直径0.79 mm。电镜显示其具有指状孔-海绵孔-致密分离层的非对称结构，致密层厚度仅25 μm。相比传统多通道构型，四通道设计在气体渗透通量与机械强度间取得最优平衡。

Conclusions
该膜在900°C实现0.83 mL min^?1 cm^?2的H₂渗透通量，RWGS膜反应器不仅突破CO₂转化率极限，更通过调节进料气组成实现合成气H₂/CO比的精准调控，为费托合成等下游工艺提供灵活原料。

重要意义
Jinkun Tan、Hui Wang等研究者的工作标志着质子传导陶瓷膜从材料制备到反应器集成的全链条创新：OSTP法为高温陶瓷膜制造提供新范式；四通道设计将膜面积/体积比提升至商业化需求水平；RWGS反应器验证了工业废气（如焦炉煤气）直接作为氢源的可行性。该技术有望重塑CO₂-H₂化工产业链，推动"碳捕获-转化-利用"闭环体系的工业落地。