Российские ученые из Института катализа имени Г.К. Борескова Сибирского отделения РАН создали нанокомпозитные материалы для мембран, позволяющих получать чистый водород. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ). Статья ученых опубликована в журнале International Journal of Hydrogen Energy.

Водород — самый легкий газ во Вселенной. Кроме своей легкости, он обладает рядом других очень важных свойств. Например, при его сгорании или переработке в топливном элементе выделяется огромное количество энергии, которую затем можно преобразовать в электроэнергию.

Потребность в водородном топливе растет каждый год, и, по прогнозам, в XXI веке нас ожидает резкий рост спроса на водород. Это будет связано с увеличением глубины переработки нефти, с развитием производства аммиака, метанола, жидкого топлива, процессов получения качественного железа и с развитием водородного транспорта.

Самый простой способ производства водорода — электролиз. Это процесс пропускания электрического тока через водный раствор определенных солей. Эффективность такого способа крайне низка, поэтому перспективным методом получения водорода сегодня считается конверсия главной составляющей природного газа — метана. Конверсия — это процесс превращения одних газов в другие, происходящий при высокой температуре. Так, из смеси метана и воды получается смесь из углекислого газа и водорода. Также в качестве исходного топлива для производства водорода с помощью конверсии можно использовать этиловый спирт (этанол). Чтобы повысить эффективность такого способа получения водорода, необходимо применять катализаторы — специальные материалы, ускоряющие течение реакции.

Сегодня для эффективного выделения водорода из смеси продуктов реакции используют специальные мембраны (упругие перепонки). Наиболее перспективны мембраны из плотных материалов. Они позволяют выделять водород из смеси газов, образующихся после процесса превращения, но не пропускают молекулы исходных веществ (метана или этанола) и побочных продуктов, таких как угарный и углекислый газы. В химическом реакторе на контактирующую с топливной смесью поверхность мембран наносится пористый слой катализатора, в котором и протекают реакции паровой конверсии биотоплив (метана или этанола). Водород из смеси продуктов переносится через мембрану на другую сторону, после чего его можно выделить и использовать.

Ученые из Института катализа имени Г.К. Борескова СО РАН разработали нанокомпозитный материал, состоящий из вольфрамата неодима и наночастиц сплава никеля с медью. Он хорошо проводит через себя водород и обладает высокой стабильностью в рабочих условиях. Ученые нанесли тонкие слои этого нанокомпозита на подложку из никель-алюминиевого пеносплава, а затем покрыли его пористым слоем катализатора. Это позволило создать каталитические мембраны для получения чистого водорода из биотоплива.

Фото: схема изготовления мембраны (кольцо-«опра...

Фото: схема изготовления мембраны (кольцо-«оправа», два серых цилиндра — пористая подложка на основе пены из никеля-алюминия, далее — наносимые слои: протонпроводящие (фиоле-товый и оранжевый) и каталитический (зеленый)). Источник: Владислав Садыков.

«В сравнении со стандартным материалом для мембран — палладием — или его сплавами, наши нанокомпозиты намного дешевле и их эффективность отвечает требованиям практики», — говорит доктор химических наук, заведующий лабораторией катализаторов глубокого окисления Института катализа имени Г.К. Борескова СО РАН Владислав Садыков.

В рамках проекта, поддержанного грантом РНФ, ученые определили важные физико-химические характеристики полученных материалов, включая водородную проницаемость мембран, рабочие параметры процессов паровой конверсии метана и этанола в мембранных реакторах, ресурс работы (время, в течение которого катализатор и мембрана могут функционировать без ухудшения своих свойств). Измерения показали, что полученные исследователями материалы позволяют эффективно проводить реакции конверсии топлив в мембранных реакторах с выделением чистого водорода и имеют характеристики и ресурс работы, соответствующие современным промышленным требованиям.

«Технология синтеза наших материалов и конструкция мембранного реактора отработаны на лабораторном уровне. Переход на пилотный уровень — задача ближайшего будущего. Для внедрения каталитических мембран на промышленном уровне требуется существенно больше вложений», — резюмирует Владислав Садыков.

Фото: реактор с каталитической мембраной. Источ...

Фото: реактор с каталитической мембраной. Источник: Владислав Садыков.