Российские ученые создали универсальные нанокомпозиты с кислородной подвижностью. Они пригодятся в водородной энергетике
Пресс-служба Института катализа СО РАН Москва, 16 янв - ИА Neftegaz.RU. Ученые из Института катализа СО РАН разработали нанокомпозитные катализаторы с высокой подвижностью кислорода на основе искусственных минералов.
Об этом сообщила пресс-служба Института.
Катализаторы нужны для создания важных приложений водородной энергетики - твердооксидных топливных элементов, протонно-обменных мембран и каталитических реакторов.
Материалы изготовлены из искусственных минералов со структурой флюорита, перовскита и шпинели.
На микроскопическом уровне они имеют структуру естественных прототипов, но отличаются от них высокой удельной площадью поверхности.
Работы были начаты под руководством главного научного сотрудника отдела гетерогенного катализа ИК СО РАН, доктора химических наук В. Садыкова.
Старший научный сотрудник отдела гетерогенного катализа Института катализа СО РАН М. Симонов отметил, что у материалов для мембран и топливных элементов должна быть высокая удельная площадь поверхности.
Поскольку природные материалы представляют собой что-то вроде монокристалла, а в этом случае нужны пористые материалы, по структуре напоминающие губку, ученые обратились к искусственным материалам.
Сама мембрана - это сложный пирог из нескольких составляющих, каждая из которых в какой-то мере в природе встречается, но как целое может быть создана только в лаборатории, - добавил М. Симонов.
Созданные трехслойные нанокомпозиты работают как мембрана.
Верхний слой - газоплотный, пропускает только избранные газы, например, кислород.
Нижний слой - газопроницаемый, проводит любые газы за счет крупнопористой структуры.
Промежуточный слой соединяет верхний и нижний.
Мембрана представляет из себя некий фильтр.
Протонпроводящие мембраны, особенно эффективны для получения чистого водорода.
Так, сегодня в промышленности для очистки синтез-газа от оксидов углерода необходимо провести несколько процессов, а мембрана позволяет очистить его в одну стадию, пропустив через себя только водород, - уточнил М. Симонов.
Мембраны могут использоваться как отдельно, так и в твердооксидных топливных элементах (ТОТЭ).
Это устройства для прямого преобразования химической энергии в электрическую с высоким КПД до 60%, они содержат в себе катод, анод и мембрану между ними.
Со стороны анода в топливный элемент подается топливо, например, водород, со стороны катода - окислитель, который через себя проводит мембрана.
На аноде на поверхности катализатора топливо окисляется, при этом возникает ток, который можно использовать для питания потребителей.
А так как ТОТЭ при работе выделяет тепловую энергию, то его можно использовать и для отопления помещений.
В качестве топлива для ТОТЭ проще всего использовать водород, который, в свою очередь, надо откуда-то брать.
В основном водород в промышленности производится из метана.
Это сложный и многостадийный процесс, который можно значительно упростить с применением мембранных реакторов.
Мембранный реактор упрощает процесс, т.к. с ним можно в одном пространстве разместить и каталитический реактор, и протонпроводящую мембрану.
Метан с водяным паром подаётся на катализатор, превращается в синтез-газ, очищаемый от примесей на мембране до чистого водорода.
Такой водород можно использовать как энергоноситель для ТОТЭ.
Мембраны, созданные в Институте катализа отличаются от аналогов более низкой ценой.
Традиционно протонпроводящие мембраны представляют собой пленку из палладия.
Разработанные нанокомпозиты значительно дешевле палладиевых, но не уступают им в проводимости водорода в единицу времени.
Материалы, которые разработали в Институте катализа, прошли пилотные испытания за границей и доказали свою перспективность.
Разработанные материалы отличаются также кислородной подвижностью.
Подвижность кислорода нужна, чтобы обеспечить проводимость.
В мембране этот кислород путешествует и обеспечивает свой перенос через нее, при этом в отношении остальных газов мембрана остается газоплотной.
Подвижный кислород также участвует в процессе переноса протонов в протонпроводящих мембранах - протоны переносятся через мембрану в виде OH-групп.
Работы проводятся в рамках Центра Национальной технологической инициативы Водород как основа низкоуглеродной экономики.