Ученые создали новый катализатор на основе платины для добычи водорода из природного газа

Ученые создали новый, более дешевый и эффективный катализатор на основе платины для добычи водорода из природного газа, который может быть использован в водородной энергетике в будущем, сообщается в статье исследователей, опубликованной в журнале Science.

Катализатор представляет собой инертный оксидный материал — оксид кремния или алюминия, на поверхность которого нанесены кластеры катализатора, состоящие из единичных атомов платины, окруженных оболочкой из атомов калия и кислорода. Как показали авторы в своей работе, этот катализатор является намного более активным и стабильным по сравнению с существовавшими до сих пор материалами в реакции конверсии водяного газа — смеси угарного газа и водорода.

Эта смесь, называемая синтез газом, образуется при высокотемпературной обработке природного газа метана парами воды и служит основным промышленным методом получения водорода. Она непригодна для использования в водородной энергетике, так как примесь угарного газа является губительной для материалов, составляющих ключевые узлы топливных элементов — источников электроэнергии, вырабатывающих электричество напрямую из химической реакции окисления водорода кислородом.

Для получения высокочистого водорода, пригодного для использования в топливных элементах, в настоящее время используется реакция электролиза воды — разложение ее на водород и кислород с помощью электричества. Получаемый таким образом водород слишком дорог, чтобы использоваться массово.

По этой причине ученые ищут дешевые способы очистки водорода от примесей СО в синтез газе, которые бы позволили получать высокочистый водород из природного сырья. Одной из таких реакций является реакция конверсии водяного газа, в которой СО подвергается воздействию паров воды при высокой температуре с образованием водорода и углекислого газа. Разделить эти два компонента уже намного проще, чем водород и СО. Кроме того, СО2 является безвредным для топливных элементов.

Проблема с массовым внедрением этого процесса заключалась в том, что для эффективного как с экономической, так и с химической точки зрения его внедрения необходимы катализаторы на основе платины, нанесенной на оксид церия. Такие катализаторы дороги, так как требуют большого количества платины, запасы которой на Земле очень ограничены. Кроме того, дополнительной проблемой является использование церия, месторождения которого хоть и являются достаточно большими, однако сосредоточены в очень небольшом количестве мест на земном шаре.

В своей работе авторы новой публикации под руководством Марии Флитцани-Стефанопулос (Maria Flytzani-Stephanopoulos) из Университета Тафтса в США продемонстрировали, что эффективным и дешевым катализатором для реакции конверсии водяного газа может быть катализатор на основе платины на инертном носителе на основе дешевого и доступного оксида кремния или алюминия.

При этом такой катализатор содержит следовые количества платины, на один атом которой приходится до шести атомов калия — дешевого и доступного металла.

Как показали авторы в своей статье, калий является необходимым компонентом катализатора, делающим его работу устойчивой при высоких температурах.

«Чаще всего исследователи в своих статьях пишут, что нашли новый материал, выполняющих свою функцию в определенной реакции. Наша работа показывает, как именно и почему наш более дешевый и доступный материал работает лучше известных дорогостоящих аналогов. Если мы хотим научиться разрабатывать еще более дешевые материалы, катализирующие специфические химические реакции, мы должны понимать такие фундаментальные основы», — сказала Флитцани-Стефанопулос, слова которой приводит пресс-служба Университета Висконсин-Мэдиссон в США.