Ученые ФИЦ «Институт катализа СО РАН» разработали способ получения водорода из муравьиной кислоты с помощью модифицированных азотом углеродных наноматериалов. Он позволил рекордно повысить скорость реакции в пять раз и добиться практически полной селективности по водороду — 99.4%.
Специалисты ИК СО РАН разрабатывают различные способы получения азотсодержащих углеродных наноматериалов, исследуют их физико-химические и каталитические свойства. Ученые успешно синтезируют азотсодержащие углеродные нановолокна со структурами «рыбья кость» или «колода карт», а также бамбукоподобные нанотрубки.
Специалисты в своей работе используют два основных подхода к синтезу азотсодержащих углеродных наноматериалов. В первом азот встраивается в углеродную структуру непосредственно в ходе роста самого материала и равномерно распределяется по всему объему. Во втором случае гетероатом с помощью постобработки встраивается преимущественно во внешние графеновые слои исходного углеродного материала.
Азотсодержащие углеродные наноматериалы используют в качестве эффективных носителей для получения стабильных нанесенных катализаторов с мономолекулярной или атомарной дисперсностью. Высокодисперсные металлические катализаторы проявляют высокую активность в различных важных процессах, в том числе в разложении муравьиной кислоты. Эта реакция важна для эффективного получения водорода, в частности, для топливных элементов. Ученым удалось достичь рекордного роста скорости реакции в газофазной среде при температурах ниже 150°С.
«Благодаря методу постобработки мы можем значительно увеличить плотность азотных центров во внешних графеновых слоях углеродных нанотрубок. На этих центрах эффективно закрепляется высокодисперсный палладий в виде наночастиц размером 1 нм и множества отдельных атомов. Кроме того, в ходе постобработки формируются дополнительные поверхностные аминные группы, которые важны для протекания реакции. За счет этого метода мы смогли увеличить скорость реакции в пять раз (до ~ 0.5 с-1 при 125°С) — это самое высокое значение скорости газофазной реакции для такого типа катализаторов. Также мы достигли увеличения селективности по водороду в 99.4%. Да, это не 100%, к которым все стремятся, но в случае использования обычных углеродных наноматериалов она не превышает 98%», — рассказала автор исследования, ведущий научный сотрудник Отдела гетерогенного катализа Института катализа СО РАН, д.х.н. Ольга Подъячева.
Полученные результаты опубликованы в профильном журнале Diamond and Related Materials и вынесены на обложку журнала.
Сейчас ученые исследуют разложение муравьиной кислоты в жидкой среде при комнатной температуре. Использование этой кислоты, синтезированной из возобновляемых источников, и проведение реакции при комнатной температуре делает процесс получения водорода более энергоэффективным и экономически целесообразным. Получаемый водород без примесей монооксида углерода может в перспективе применяться в процессах, которые разрабатывают в Центре компетенций НТИ «Водород как основа низкоуглеродной экономики».