Ученые МГУ создали эффективные катализаторы для водородной энергетики
Способ синтеза катализатора, близкого по составу к оптимальному, предложили для очистки водорода сотрудники лаборатории катализа и газовой электрохимии кафедры физической химии химфака МГУ, 18 июля сообщает пресс-служба университета.
Катализатор предназначен для очистки водорода от примесей монооксида углерода СО, который сокращает время жизни топливных элементов. Поэтому очистка водорода критически важна для водородной энергетики.
Результаты проделанной работы исследователи представили в статье «Мезопористые катализаторы на основе церия и кремнезема для преимущественного окисления СО в потоке с высоким содержанием водорода: влияние соотношения Ce: Si и модификации медью», опубликованной в журнале Applied Surface Science.
Водород, который в настоящее время в основном производится из природного газа, содержит значительную долю СО, который удаляют различными методами. Адсорбционные методы очистки не способны полностью удалить монооксид углерода.
Сотрудник лаборатории катализа и газовой электрохимии, аспирант Игорь Каплин так пояснил суть проблемы:
«Водород используют в мембранных топливных элементах, которые служат источниками экологически чистой, „зеленой“ энергии. В состав таких устройств входит платиновый катализатор, который очень чувствителен к присутствию CO. Даже небольшие примеси этого газа в потоке водорода заметно снижают эффективность топливных элементов и уменьшают срок их эксплуатации».
Чтобы удалить мизерные, но опасные для топливных элементов количества СО, используются технологии каталитического окисления. Такая технология должна обеспечивать хорошее окисление СО, но не должна при этом ускорять нежелательные реакции окисления (в основном —не окислять водород), то есть быть селективной.
Другим важным требованием к катализатору является его стабильность в широком диапазоне температур.
Игорь Каплин рассказал об основных направлениях, по которым идет работа по совершенствованию катализаторов. Исследуются методы улучшения работы катализаторов на основе благородных металлов, которые хотя и очень активны, но имеют ряд недостатков.
Они очень дорогие, теряют активность, спекаясь при высоких температурах, а некоторые благородные металлы к тому же ускоряют побочные реакции.
«Вторым, более перспективным направлением является разработка оксидных катализаторов на основе церия. Они дешевле, более стабильны в реакционных условиях, но по активности уступают благородным металлам. Однако их эффективность можно улучшить различными способами, например, путем добавления промоторов (активизирующий агент — прим. ИА Красная Весна) и за счет оптимизации условий приготовления», — сообщил Каплин.
Химики МГУ предложили трехкомпонентный катализатор, активными составляющими которого выступили диоксид церия и оксид меди, а третьим, стабилизирующим компонентом стал диоксид кремния.
Ими был разработан также экономичный и эффективный метод его изготовления. Как пояснил Игорь Каплин, очень важен способ синтеза катализатора, который задает удельную площадь поверхности и структурные свойства катализатора, размер и дисперсность частиц активного компонента.
«Мы показали, что использование высокого соотношения церия к кремнию и специального метода приготовления тройных оксидных систем позволяет получить катализатор с мелкими наночастицами диоксида церия и модификатора — оксида меди, причем модификатор равномерно распределен на поверхности», — рассказал ученый.
Исследования доказали, что данная система стабильна и обеспечивает высокую каталитическую активность в реакции предпочтительного окисления CO в присутствии избытка водорода.
Следующим этапом исследований коллектива станет испытание нового катализатора на полупромышленной установке, а также изучение его механических характеристик.
