Нанокомпозит, созданный новосибирскими химиками, может использоваться для выделения водорода в высокотемпературных каталитических реакторах: он устойчив к агрессивной среде, высоким температурам (до 1000 oС) и дешевле создаваемых ранее материалов, содержащих палладий. Получение H2 — основа водородной энергетики; он используется, например, в топливных элементах для заправки автомобилей с соответствующим двигателем или любых механизмов с таким источником питания.
Разработка группы исследователей из институтов Сибирского отделения РАН, Новосибирского государственного университета и Новосибирского государственного технического университета представляет собой своеобразный слоеный пирог: на подложку из никель-алюминиевого сплава нанесен тонкий слой протон-проводящей мембраны, покрытый катализатором. Последний обеспечивает быстрое протекание реакции, в результате чего из биотоплива образуется синтез-газ, в состав которого входит водород. Мембрана состоит из наночастиц сложных оксидов вольфрама, ниобия, редкоземельных элементов и металлов: никеля, меди или серебра. Ее преимущество по сравнению с применявшимися ранее соединениями, где использовался барий, в устойчивости к разложению при взаимодействии с водой и углекислым газом. Совмещение наночастиц оксида и металла позволяет использовать те свойства каждого из веществ, которые требуются для 100 % диффузии водорода.
«На поверхности мембраны молекулы водорода разделяются на два протона и два электрона, далее оксид обеспечивает высокую протонную проводимость, а металл — высокую электронную. Когда протон и электрон двигаются в одном направлении, происходит перенос атомов водорода. Соединение частиц сложных оксидов и металлов в единый плотный композит возможно благодаря возникающей между ними координационной связи», — объясняет заведующий лабораторией катализаторов глубокого окисления Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, заведующий совместной лабораторией новых технологий синтеза функциональных наноструктурированных материалов Новосибирского государственного университета, Института катализа СО РАН и Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН доктор химических наук Владислав Александрович Садыков.
Мембрана — это тонкая пленка, очень чувствительная к механическим воздействиям, поэтому для работы в реальных условиях каталитического реактора необходима подложка, устойчивая к истиранию. Ее по заказу ИК СО РАН сделали специалисты Института порошковой металлургии имени академика О.В. Романа Национальной академии наук Беларуси. Она представляет собой пеноноситель из никель-алюминиевого сплава градиентной пористости. Верхний слой подложки плотный, на него наносится и затем припекается при температуре 1100 °C каталитическая мембрана.
«Пеноносители создавались при помощи определенной методики: сначала слой поролона покрывался никель-алюминиевым сплавом, затем поролон выжигался и оставался пористый материал, размер ячеек которого — несколько миллиметров. Для наших целей пористость постепенно уменьшалась, а верхний слой был сделан плотный, чтобы наносить мембрану», — рассказывает Владислав Садыков.
Сборка одной мембраны занимает около недели, но прежде нужно испытать ее компоненты в условиях, отличных от реакционных, чтобы составить предварительное мнение о проводимости материалов.
«Перед нами стояла задача подобрать материал для изготовления мембраны с оптимальными характеристиками. Мы делали 10—20 вариаций состава, испытывали каждый из них и отбирали наиболее перспективные. Предварительное тестирование состава занимает несколько часов, тогда как синтез самой мембраны требует значительно больше времени. И только после этого можно приступать к испытаниям в условиях реальной реакции», — поясняет младший научный сотрудник ИК СО РАН Алексей Вячеславович Краснов.
По словам Владислава Садыкова, комплексов для выделения водорода, аналогичных разработанному новосибирскими учеными, пока нет. И при наличии финансирования для промышленного внедрения с помощью такого композита можно решить проблему, например, переработки попутных газов на отдаленных или морских месторождениях.
Надежда Дмитриева
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии