Ученые ФИЦ Институт катализа СО РАН при поддержке Российского научного фонда разработали не имеющий аналогов катализатор для получения водород-содержащего газа из дизельного топлива. Эта технология позволит эффективно преобразовывать химическую энергию моторного топлива в электроэнергию с использованием электрохимических генераторов.
Как рассказал младший научный сотрудник Института катализа СО РАН Владислав Шилов, на рынке до сих пор отсутствует коммерчески доступный продукт — катализатор конверсии дизельного топлива и, соответственно, топливный процессор, который бы позволял получать водородсодержащий газ для питания топливных элементов.
В рамках проекта Российского научного фонда «Разработка структурированного катализатора и фундаментальных основ проведения окислительной конверсии дизельного топлива в синтез-газ для использования в энергоустановках на основе топливных элементов» ученые разработали композитный родий-содержащий катализатор.
Активный компонент катализатора устойчив к спеканию при высоких (около 900°С) температурах. В качестве структурированной подложки используется фехралевая сетка (сплав FeCrAl), на которую наносят оксид алюминия. Игольчатая структура кристаллов оксида алюминия, химически связанных с металлической подложкой, увеличивает адгезионные свойства поверхности и обеспечивает механическую прочность вторичного каталитического слоя. Затем на поверхность наносят смешанный оксид церия и циркония, который участвует в активации молекул воды и кислорода и повышает устойчивость к зауглероживанию. Конечный этап синтеза — нанесение наночастиц родия размером 1-2 нанометра, которые отвечают за активацию молекул углеводородов.
«Катализатор, который мы получили, устойчив к спеканию и зауглероживанию. Мы уже протестировали его в условиях конверсии коммерческого дизельного топлива. Он показал очень высокую активность и не терял ее после 200 часов работы», — пояснил Владислав Шилов.
По словам молодого ученого, трудности в создании катализатора вызваны многокомпонентностью дизельного топлива — оно состоит из нескольких сотен индивидуальных веществ, которые относятся к разным классам органических соединений и имеют различную реакционную способность. Сложностью также является и выбор оптимальных реакционных условий, в которых отсутствует зауглероживание катализатора вследствие протекания нежелательных побочных процессов. Это приводит к необходимости проведения конверсии в достаточно узком интервале температур и реакционных условий.
«В топливном процессоре, который мы сейчас разрабатываем, осуществляется каталитическая реакция паровоздушной конверсии дизельного топлива в синтез-газ, который служит топливом для питания твердооксидных топливных элементов. Достоинством технологии получения электроэнергии из дизельного топлива в электро-химических генераторах на основе топливных элементов является высокий КПД — от 35% до 65%, что в несколько раз превышает КПД дизельных или бензиновых генераторов малой мощности. Также к преимуществам относится экологическая безопасность, бесшумность работы, отсутствие движущихся частей, из-за чего установки не требуют обслуживания в течение долгого времени», — рассказал Владислав Шилов.
Топливный процессор требует разработки не только катализатора, но и решения различных инженерных задач. Эти задачи связаны с оптимизацией подачи реагентов, их смешения и конструкции реактора в целом.