水蒸気酸化されたSiCセラミック薄膜のガス透過能

Stability of silicon carbide membrane prepared from polymer precursor in steam

武山 昭憲; 杉本 雅樹; 吉川 正人

Takeyama, Akinori; Sugimoto, Masaki; Yoshikawa, Masahito

炭化珪素(SiC)セラミック薄膜は、500C以上の加湿雰囲気でHを選択的に回収する水素分離膜として期待されている。本研究では、SiCセラミック薄膜を水蒸気に曝露しガス透過能を調べた。多孔質アルミナ管表面に、前駆体高分子であるポリカルボシラン(PCS)薄膜を塗布後、ヘリウム雰囲気で線量12MGyの電子線照射により架橋・不融化した。これを700C又は800Cで焼成し、SiCセラミック薄膜を作製した。塗布-照射-焼成を3回繰り返し、3層に積層したSiCセラミック薄膜を水蒸気分圧約47kPaの雰囲気に500C, 10時間暴露後、H及び不純物ガスである窒素Nの透過率を測定した。その結果、焼成温度800Cで作製したSiCセラミック薄膜のH透過率はアレニウスプロットに従い、Hが分子ふるい効果によりSiCセラミック薄膜を透過することがわかった。このガス透過率の温度依存性は水蒸気暴露前後でほぼ変わらないことから、SiCセラミック薄膜中の細孔のサイズが変わらないことがわかった。一方、700Cで焼成したSiCセラミック薄膜のH透過率は、水蒸気暴露前はアレニウスプロットに従うが、水蒸気暴露後は温度の逆数に対して増加することがわかった。これは水蒸気酸化によりSiCセラミック薄膜に大きなサイズの細孔が導入され、Hのクヌーセン拡散が生じたためと考えられる。

Precursor-derived silicon carbide (SiC) membrane has been a promising candidate as a membrane for hydrogen separation in harsh condition. In this report, SiC membrane was exposed to steam and its gas permeances were measured. Polymer precursor, polycarbosilane (PCS) film was coated on a porous support.Subsequently, it was cured and cross-linked by an electron beam irradiation in helium atmosphere followed by the pyrolysis at 973 K or 1073 K. A series of preparation procedure was repeated three times to layer SiC film. Prepared membrane was exposed to steam at 773 K for 10 hours. Water vapor pressure was about 47 kPa. H permeance of as-prepared membrane prepared via pyrolysis at 1073 K followed Arrhenius plot against the reciprocal temperature. This meanes H permeated through the membrane by molecular sieving mechanism. H permeance still followed Arrhenius plot after the exposure to steam. H permeance of as-prepared membrane prepared via pyrolysis at 973 K also followed Arrhenius plot. However, the membrane was subject to oxidation by steam, consequently large sized pores for Knudsen diffufion of H were formed in the membrane after the exposure.