Новый катализатор, разработанный для революционного получения водорода из парниковых газов, преодолевает ограничения по долговечности

Исследователи д-р Хеен Ким и д-р Юнсок Чой из лаборатории высокотемпературного электролиза Корейского института энергетических исследований (KIER, президент Йи, Чанг-Кын) в сотрудничестве с профессором Вучулом Юнгом из факультета материаловедения и инженерии Сеульского национального университета успешно усовершенствовали катализатор, используемый при сухом риформинге, которые вырабатывают энергию из парниковых газов. Недавно разработанный самогенерирующийся катализатор обладает высокой прочностью и значительно сокращает расход металла по сравнению с обычными катализаторами, что значительно повышает экономическую эффективность.

Сухой риформинг — это технология, при которой метан (ch₄) и диоксид углерода (co₂) — оба основных парниковых газа - вступают в реакцию при высоких температурах с образованием водорода (h₂) и монооксида углерода (CO). Сокращая выбросы парниковых газов, она помогает бороться с глобальным потеплением, одновременно производя водород, ключевой источник энергии, и универсальный синтез-газ. По этим причинам она является активной областью исследований как в научных кругах, так и в промышленности.

В реакциях сухого риформинга обычно используются никелевые (Ni) катализаторы, которые являются одновременно экономичными и высокопроизводительными. Однако во время реакции на поверхности катализатора образуется углерод, что приводит к быстрому снижению производительности. Такое отложение кокса является серьезным препятствием для долгосрочной эксплуатации и коммерциализации, что стимулирует активные исследования в области разработки новых катализаторов и оптимизации условий эксплуатации.

В качестве альтернативы большое внимание привлекает технология самогенерирующихся катализаторов с использованием оксидов на основе перовскита. При таком подходе металл, находящийся внутри подложки катализатора, мигрирует на поверхность, образуя каталитически активные центры в условиях реакции. Образующиеся металлические частицы прочно связываются с подложкой, эффективно предотвращая отложение углерода. В результате, по сравнению с обычными никелевыми катализаторами, самогенерирующиеся катализаторы могут сохранять свои рабочие характеристики в течение длительного времени.

Исследовательская группа оптимизировала прочность межатомных связей для разработки самогенерирующегося катализатора, который стабильно работает даже в высокотемпературных условиях реакций сухого риформинга. Используя этот катализатор, можно получить такое же количество синтез-газа, используя всего около 3% никеля, необходимого для обычных катализаторов.

В самогенерирующихся катализаторах, чем легче внутренним металлическим элементам мигрировать на поверхность, тем выше скорость реакции. Однако носитель из оксида перовскита на основе манганита лантана (lamno₃), использованный в этом исследовании, имел прочные межатомные связи, что затрудняло выход внутренних металлических частиц. Чтобы решить эту проблему, исследовательская группа заменила ионы лантана (La3⁺) в оксидной подложке ионами кальция (Ca2⁺), что снизило прочность межатомных связей и позволило большему количеству никеля мигрировать на поверхность катализатора.

Однако команда обнаружила, что добавление чрезмерного количества кальция может привести к разрушению самой структуры перовскита, что приведет к снижению стабильности и активности катализатора. Основываясь на этом открытии, они определили оптимальный диапазон замещения кальция и успешно разработали самогенерирующийся катализатор, который стабильно работает, обладая высокой устойчивостью к отложению углерода и высокой активностью при риформинге.

По сравнению с обычными катализаторами, для получения такого же количества синтез-газа в новом разработанном катализаторе требовалось всего около 3% никеля. Более того, в отличие от обычных катализаторов, активность которых легко снижается при спекании и коксовании, новый катализатор стабильно сохраняет высокую эффективность конверсии в течение 500 часов длительной работы при температуре 800 °C без признаков отложения углерода, что свидетельствует о его исключительной долговечности.