Сотрудники лаборатории катализа и газовой электрохимии кафедры физической химии химического факультета МГУ предложили способ получения более качественного катализатора для очистки водорода от примесей монооксида углерода СО. Более чистый водород обеспечивает долгую жизнь топливных элементов, что критически важно для водородной энергетики. Работа опубликована в журнале Applied Surface Science.
Основным и наиболее дешевым методом получения водорода в мире остается переработка природного газа. Такой водород содержит значительную долю угарного газа, который удаляют адсорбционными методами. Однако эти методы не способны полностью очистить водород, и в нем остаются небольшие примеси CO.
«Водород используют в мембранных топливных элементах, которые служат источниками экологически чистой, "зеленой" энергии, — объяснил сотрудник лаборатории катализа и газовой электрохимии, аспирант Игорь Каплин. — 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».
Для очистки водорода от очень низких концентраций СО применяют технологии каталитического окисления. Важно, чтобы каталитическая система была не только активна, но и селективна, то есть способствовала быстрому окислению СО и минимально ускоряла побочные реакции, главным образом, окисление водорода. Важным свойством катализатора также является стабильность в широком температурном интервале.
«Поиск катализаторов ведется сразу в нескольких направлениях, — рассказал Игорь Каплин. — Во-первых, совершенствуют катализаторы на основе благородных металлов. Безусловно, они очень активны, но имеют ряд недостатков. Такие системы теряют активность в процессе спекания при высоких температурах, а еще они дорогие. Кроме того, некоторые благородные металлы могут ускорять побочные процессы. 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 и за счет оптимизации условий приготовления».
В работе авторы предложили новый метод приготовления оксидного катализатора, состоящего их трех компонентов. Двумя активными составляющими выступили диоксид церия и оксид меди. Третьим компонентом стал диоксид кремния, обладающий способностью стабилизировать частицы оксидов в высокодисперсном состоянии.
«Главной нашей заслугой является то, что мы предложили близкий к оптимальному состав катализатора и усовершенствовали методику его приготовления, — пояснил Игорь Каплин. — Способ синтеза катализатора очень важен. От него зависят удельная 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. Данная система оказалась стабильной и проявила высокую каталитическую активность в реакции предпочтительного окисления CO в присутствии избытка водорода».
Как говорят авторы, на пути к промышленному использованию предстоит проделать еще большой комплекс дополнительных исследований. Ближайшим этапом станет испытание образцов на полупромышленной установке и изучение механических характеристик катализатора.
Автор текста: Алина Сагитова / пресс-служба химического факультета МГУ
Автор фото: Юлия Чернова / пресс-служба химического факультета МГУ
Информация и фото предоставлены пресс-службой МГУ
