H2MemX - Enabling ultrathin Pd based membranes through surface chemistry diagnostics and control

Membraner basert på palladium (Pd) i legering med sølv (Ag) kan brukes til separasjon av hydrogen fra blandinger. Slike kommersialiseres nå fordi de har klare fordeler når det gjelder effektivitet, renhet for hydrogenet, stabilitet og kostnad. Teknologien er godt egnet for integrasjon med ulike hydrogenproduksjonsløsninger, inkludert karbonfangst og lagring (CCS) - såkalt blått hydrogen. I H2MemX er utgangshypotesen at langvarig, industriell bruk av slike membraner krever forståelse av kjemi og struktur ved membranoverflate som følge av eksponering til industrielt relevante betingelser på et detaljnivå som hittil ikke har vært tilgjengelig. H2MemX-konsortiet representerer unik kompetanse og lang erfaring i å kombinere utdanning, grunnleggende vitenskap og industriell relevans gjennom forskningssentre (SFI mm.) og prosjekter. Institutt for kjemisk prosessteknologi, NTNU, har kompetanse både innen overflatevitenskap og grunnleggende membranundersøkelser. SINTEF Industri har utviklet en unik teknologi for framstilling av Pd-membraner. Denne lisensieres nå av Hydrogen Mem-Tech AS, med sikte på hydrogenproduksjon fra naturgass med CO2-fangst. En rådgivende industriell komite ble nedsatt juni 2019, med medlemmer fra Hydrogen Mem-Tech AS og KA Rasmussen AS, og disse har møttes med H2MemX-teamet 3 ganger. Et siste møte planlegges desember 2022/januar 2023. Sammen har NTNU og SINTEF utnyttet komplementær kunnskap og en omfattende teoretisk og eksperimentell verktøykasse for detaljert karakterisering av materialene. Utvikling av såkalt in situ-metodikk for undersøkelse av membranoverflaten under hydrogentransport ble gjort i samarbeid med Lunds Universitet og MAXIV-laboratoriet. MAXIV-synkrotronen i Lund, Sverige, var ny da prosjektet startet. Det ble en unik mulighet for H2MemX, og vårt team var blant de første brukerne til å utføre fotoelektronspektroskopi med gasseksponering ved strålelinja for nær-atmosfæretrykks röntgen-fotoelektronspektroskopi (APXPS); HIPPIE. H2MemX-teamet fikk innvilget og gjennomført tre eksperimentelle stråletider på en uke hver ved strålelinja HIPPIE- ved MAXIV. Det ble vanskelig å få innvilget ytterligere stråletid grunnet forsinkelser knyttet til Covid-19. 2 av de eksperimentelle kampanjene ved MAX IV omhandlet oksidasjon av karbonmonoksid (CO) over enkrystaller med 75% Pd og 25 % Ag, og vi har sett på sammenhengen mellom segregering av Ag til og fra overflaten og reaktivitet i et forholdsvis idealisert system. For den siste perioden designet vi en celle der 10 µm tynnfilm Pd 23% Ag-membraner produsert av SINTEFs kunne monteres. Dermed kunne vi karakterisere membranoverflaten under hydrering og permeasjon i området fra romtemperatur til 380 °C og blant annet ble det observert segregering. Disse eksperimentene har resultert i 2 vitenskapelig publikasjoner og vi har verdifulle data som vil lede til ytterligere 1 publikasjon. I 2020 publiserte vi også et teoretisk arbeid i samarbeid kolleger ved UW Madison i USA som går ut på å beskrive dynamikken mellom segregering i PdAg-legeringa og adsorpsjon av CO og hydrogen ved hjelp av kvantekjemiske beregninger. Kort oppsummert kan man si at både eksperimenter og teori viser at hydrogen, CO og oksygen binder seg bare til Pd-atomer i overflata, og dette gjør at Pd trekkes til det ytterste atomlaget. Men bindingene til hydrogen og CO svekkes når temperaturen øker, og dette gjør at Ag-atomer segregerer til overflata. Og mens en ren Pd-krystall tenderer til å danne tynt overflateoksid ved høy temperatur, så destabiliseres dette Pd-rike oksidet når CO tilsettes dersom legeringa inneholder 25% sølv (Ag). Dette har betydning for hvordan Pd-Ag membraner fungerer, optimalisering av deres funksjon og stabilitet over tid. H2MemX har utdannet en PhD og fremmet forskerkarrierene for to unge kvinner, en postdoktor og en forsker. Postdoktoren begynte hos Hydrogen Mem-Tech AS i 2021. PhD-kandidaten fikk imidlertid sitt eksperimentelle arbeid innen permeasjonsmålinger betydelig forsinket, da situasjonen rundt Covid-19 påvirket både teknisk assistanse ved NTNU samt innkjøp av kritisk utstyr komponenter. Permeasjonslaben er har vært i noenlunde full drift i 2022 og PhD-kandidaten har ferdigstilt en serie presise målinger for å kartlegge effektene av CO, CO2 og H2O på hydrogen-permeasjonen gjennom Pd-Ag membraner ved ulike temperaturer. PhD-avhandling og 2-4 vitenskapelig artikler forventes ferdigstilt i 2023. 1 mastergrad i kjemisk prosessteknologi har vært knyttet til prosjektet. Dette er noe lavere enn målet, og skyldes delvis en krevende rekrutteringssituasjon innen kjemisk prosessteknologi. Med unntak av dette er måloppnåelsen i H2MemX høy, inkludert populærvitenskaplig formidling. Kompetanse og samarbeid vil delvis bli videreutviklet i det nylig etablerte Forskningsenter for miljøvennlig energi (FME) HYDROGENi.

For forskningsfeltet: Forskerprosjektet H2MemX har generert ny innsikt i hvordan Pd-legeringer, enkrystaller og polykrystallinske tynnfilmer, responderer på adsorbater, reaksjon på overflata, samt permeasjon av hydrogen. Vi har også introdusert nye metoder innen forskninga på slike materialer; 1)høypresisjons permeasjonsmålinger uten påvirkning fra masseoverføringsfenomener i gassfasen eller porøs bærer, 2) bruk av teoretiske modelleringsverktøy til å studere segregering og aktivering av hydrogen, og 3) bruk av fotoelektronspektroskopi, både operando og pre/post-karakterisering koplet med eksponering i reaksjonscelle. For kompetanseutvikling: H2MemX utdanner 1 PhD, 1 postdoc. og 1 Master med verdifull FOU-kompetanse innen hydrogenteknologi. For næringslivet: H2MemX har gitt bedre forståelse Pd-membranteknologiens muligheter og begrensninger, spesielt hvilke faktorer som på kort og lang sikt kan påvirke membranenes ytelse. For samfunnet for øvrig: Vi bidrar med grunnleggende material og kjemiteknisk kunnskap, relevant og etterspurt for det grønne skiftet, og med spesifikk kunnskap innen hydrogenteknologi.

PPalladium (Pd) based membranes for separation of hydrogen are under commercialization on basis of identified benefits in terms of efficiency, purity, stability, and cost relative to existing separation technology. This membrane technology is well suited for integration with different hydrogen production process technologies, as well as carbon capture and storage (CCS). The H2MemX main hypothesis is that industrial application of Pd alloy membranes for hydrogen separation requires taking the understanding of the membrane chemistry and structure under industrially relevant conditions to a new level. The H2MemX consortium represents unique competence and extensive experience in combining education, fundamental science and industrial relevance through Centre and project grants. Department of Chemical Engineering, NTNU, represents strong experience in surface science and fundamental membrane investigations. SINTEF Industry has developed a unique membrane fabrication technology that is being commercialized in a joint effort with Hydrogen Mem-Tech AS, aiming at hydrogen production from natural gas with CO2 capture. NTNU and SINTEF hold complementary knowledge and an extensive theoretical and experimental toolbox for detailed characterization of membranes. The advancement of so-called in situ methodology for investigating the membrane surface under working conditions will be pursued in a collaboration with Lund University and the MAXIV laboratories. The new MAXIV synchrotron represents unique possibilities for H2MemX, and the principal investigators have been between the first test users. H2MemX will educate one PhD candidate and promote the research careers of a highly skilled postdoctoral fellow and a young research scientist, both female. 4-6 Master candidates in chemical engineering or nanotechnology will be educated within the project. The final project deliveries includes 6-8 scientific publications, dissemination at conferences as well as an innovation plan.