Ученые разработали катализатор методом горения растворов для получения водорода и наноструктурированного углерода из попутного нефтяного газа без выделения углекислого газа. Катализатор, синтезированный за одну стадию, позволяет не только снизить стоимость производства, но и решить важную экологическую проблему для многих нефтедобывающих компаний, которые в настоящее время сжигают ценные продукты реакции. К преимуществу предложенной технологии можно отнести простоту, а также возможность применять продукты реакции в самых разных направлениях техники и энергетики. Результаты исследования, поддержанногоexternal link, opens in a new tab грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованыexternal link, opens in a new tab в журнале Chemical Engineering Research and Design.
Водород рассматривается в качестве альтернативного топлива для двигателей внутреннего сгорания вместо нефти, угля и природного газа, которые относятся к полезным ископаемым и запасы которых ограничены. Кроме того, их переработка и использование приводит к выбросу углекислого газа в атмосферу. Однако традиционные способы получения водорода по качеству и эффективности реализуемой технологии уступают процессу низкотемпературной переработки попутного нефтяного газа, поэтому ученые ищут новые методы.
Исследователи из Новосибирского государственного технического университета (Новосибирск) с коллегами разработалиexternal link, opens in a new tab катализатор на основе никеля и оксида алюминия, который позволяет перерабатывать традиционные виды сырья — различные углеводородные газы (например, метан, природный газ и попутный нефтяной газ), а также их смеси — в водород и углеродные нановолокна без выделения углекислого газа. Получаемый таким способом водород можно использовать в химической промышленности, в качестве экологически чистого топлива для двигателей внутреннего сгорания, а нановолокна — для упрочнения композитных материалов, создания суперконденсаторов, газовых сенсоров и других устройств.
Авторы синтезировали катализаторы методом горения растворов — очень быстрым и энергоэффективным способом. Он заключался в том, что смесь нитратов металлов и органического топлива, в качестве которого выступала аминокислота глицин, нагревали до высоких температур — до 650°C. В результате смесь самовоспламенялась с образованием наночастиц катализатора.
При этом химики протестировали разные условия синтеза. Для этого меняли температуру нагрева от 350°C до 650°C, скорость ее повышения (от 1 до 10 градусов в минуту) и время выдержки при максимальной температуре до 40 минут. В результате ученые получили наночастицы величиной от 10 до 50 нанометров. Преимущественно катализаторы на 90% состояли из никеля и на 10% из оксида алюминия.
Эффективность работы катализаторов авторы оценили в лабораторном кварцевом реакторе при температуре 550°С и атмосферном давлении в реакции разложения метана. Результаты позволили определить оптимальные параметры синтеза катализатора, которые обеспечивают наибольшие выходы водорода и наноструктурированного углерода.
Некоторые образцы катализаторов сохраняли активность более 32 часов, что значительно превосходит результатыexternal link, opens in a new tab других исследовательских групп. Высокая активность полученных авторами структур связана с развитой удельной поверхностью катализатора. Кроме того, к преимуществу данного катализатора можно отнести возможность проводить реакцию без предварительной стадии его восстановления в потоке водорода.
«Наш катализатор не только эффективно производит водород без вредных выбросов, но и позволяет создавать ценные побочные продукты — углеродные нановолокна и нанотрубки. Углеродные наноматериалы обладают высокой чистотой, содержат очень низкое количество примесей, а потому могут использоваться в композитных материалах, катализе и электронике. При этом метод горения растворов делает процесс синтеза простым и масштабируемым, что открывает новые возможности для промышленного применения. Это важный шаг к устойчивой энергетике будущего. В дальнейшем мы планируем протестировать другие способы синтеза и инициирования горения системы, чтобы повысить выход получаемых продуктов — водорода и углеродных наноматериалов», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Павел Курмашов, кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории химической технологии функциональных материалов НГТУ.
В исследовании принимали участие сотрудники Института химии твердого тела и механохимии СО РАН (Новосибирск), Института катализа имени Г.К. Борескова СО РАН (Новосибирск), Института органической химии имени Н.Д. Зелинского РАН (Москва) и Института неорганической химии имени А.В. Николаева СО РАН (Новосибирск).
Участники исследовательского коллективаВероника Жарковская