Ученые добились высокой селективности катализаторов для извлечения водорода из органических носителей
© ИК СО РАН
Ученые Центра компетенций Национальной технологической инициативы «Водород как основа низкоуглеродной экономики» на базе ФИЦ «Институт катализа СО РАН» создали катализаторы из никеля и олова для процесса извлечения водорода из жидких органических носителей. Селективность, или избирательность этого процесса, составила 99,9% — это означает практически абсолютный выход запасенного водорода при сохранении свойств органического носителя для его многократного использования. Об этом сообщает пресс-релиз, поступивший в редакцию.
Одно из направлений, которым занимаются ученые Водородного центра компетенций НТИ на базе ИК СО РАН, — разработка решений для хранения водорода в составе жидких органических носителей. Эта технология основана на циклическом процессе гидрирования (присоединения молекулы водорода к органическому носителю) и дегидрирования (отщепления водорода). В качестве носителей используют углеводородные соединения, самые распространенные — метилциклогексан (МЦГ) и толуол. В составе этих жидких соединений водород можно безопасно хранить и транспортировать на дальние расстояния (следует отметить, что такой вариант хранения водорода — самый энергетически неэффективный, поскольку потери энергии здесь составят около 25%. Однако иногда и такой метод становится наиболее приемлемым).
В коммерческих катализаторах дегидрирования применяют дорогую платину. Ученые ЦК НТИ смогли заменить ее намного более дешевыми системами на основе никеля и олова и добиться сопоставимой высокой селективности — 99,9%. Они проводили реакцию, в ходе которой метилциклогексан превращается в толуол, и происходит практически стопроцентная отдача водорода без разложения носителя, который затем можно использовать многократно.
«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 носителя. 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. В качестве носителя водорода мы использовали метилциклогексан: в реакторе под воздействием температуры в 350℃ при участии катализатора водород от него отделяется с образованием толуола. Получаемый толуол можно использовать в обратной реакции гидрирования, присоединяя к нему водород. Селективность процесса дегидрирования при использовании нашего катализатора составила 99,9%», — рассказывает научный сотрудник Водородного центра компетенций НТИ Антон Коскин.
Для технологии жидких органических носителей водорода играют роль даже десятые доли процента селективности, и 0,1% — это доля побочных продуктов, бензола и метана. Снижение концентрации бензола важно, так как это высокотоксичное и канцерогенное вещество.
«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», — поясняет инженер ЦК НТИ Сергей Степаненко.
По словам Антона Коскина, дальнейший вектор исследований будет направлен на изучение разработанных катализаторов в гидрировании и дегидрировании жидких органических носителей водорода нового поколения. Сейчас пара метилциклогексан-толуол коммерчески внедрена, но есть тенденция к отказу от 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», — отмечает ученый.