99,9% составила селективность новых катализаторов для водородной энергетики

27 ноя 2023

#Экология

Ученые Центра компетенций Национальной технологической инициативы «Водород как основа низкоуглеродной экономики» провели исследование и разработали катализаторы на основе никеля и олова, которые позволяют извлекать водород из жидких органических носителей с высокой селективностью – 99,9%. Таким образом, практически весь запас водорода извлекается без потерь свойств органического носителя, что позволяет использовать его многократно.

Одно из основных направлений работы ученых Водородного центра компетенций НТИ заключается в разработке решений для хранения водорода в составе жидких органических носителей. Они использовали циклический процесс гидрирования и дегидрирования для этой технологии. В роли носителей были выбраны углеводородные соединения, такие как метилциклогексан (МЦГ) и толуол. Благодаря этим жидким соединениям, водород можно безопасно хранить и транспортировать на большие расстояния.

Традиционные коммерческие катализаторы для дегидрирования используют платину, которая является дорогостоящим материалом. Однако ученым удалось разработать системы на основе никеля и олова, которые обеспечивают сопоставимую высокую селективность – 99,9%. В ходе реакции, при которой метилциклогексан превращается в толуол, практически весь водород отделяется от носителя без его разложения, что позволяет повторно использовать носитель.

– Никель — хорошо известный катализатор реакций гидрирования и дегидрирования, но в немодифицированном виде у него крайне высокая каталитическая активность в побочных процессах, и это приводит к разрушению молекул носител. Нашей главной задачей было получить никелевый катализатор, который обладал бы высокой селективностью в целевом процессе извлечения водорода — дегидрировании. Высокая селективность нужна не только для высокого выхода продукта, но и для сохранения структуры носителя. Мы провели серию экспериментов и подобрали наиболее эффективный модификатор — олово.

Рассказал научный сотрудник Водородного центра компетенций НТИ Антон Коскин.

В экспериментах ученые использовали метилциклогексан в качестве носителя водорода. При воздействии высокой температуры в реакторе (350°C) и с использованием катализатора, водород отделяется от носителя, а толуол образуется. Полученный толуол может быть использован обратно в реакции гидрирования с присоединением водорода. Селективность процесса дегидрирования составляет 99,9%.

В случае технологии жидких органических носителей водорода даже доли процента селективности играют важную роль. 0,1% – это доля побочных продуктов, таких как бензол и метан, которые должны быть минимизированы. Особенно важно снизить концентрацию бензола, так как это вещество является высокотоксичным и канцерогенным.

– Если вести процесс неселективно, то бензол будет все больше и больше накапливаться. Даже при селективности в 99% за десять циклов накопится порядка 10% бензола. Кроме того, извлекаемый водород будет также загрязнен метаном, а это сделает последующую очистку водорода более дорогой. Таким образом, наш катализатор позволяет минимизировать образование бензола и получать водород высокой чистоты.

Пояснил инженер ЦК НТИ Сергей Степаненко.

Дальнейшие исследования ученых Водородного центра компетенций НТИ будут направлены на изучение разработанных катализаторов нового поколения для гидрирования и дегидрирования жидких органических носителей водорода. На данный момент, пара метилциклогексан-толуол уже успешно применяется в коммерческих целях, однако есть тенденция отказаться от использования МЦГ.

– Метилциклогексан имеет низкую температуру кипения, а это затрудняет очистку водорода от паров носителя после проведения дегидрирования. В качестве альтернативы рассматривают носитель с высокой температурой кипения — дибензилтолуол. Также важно, что органические носители должны быть именно жидкими при температуре окружающей среды, чтобы можно было использовать существующую инфраструктуру — тогда это будет экономически оправдано.

Отметил ученый.