Специалисты Центра компетенций Национальной технологической инициативы «Водород как основа низкоуглеродной экономики» на базе ФИЦ «Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН» создали катализаторы из никеля и олова для извлечения водорода из жидких органических носителей. Селективность этого процесса составила 99,9 % — это означает практически абсолютный выход запасенного водорода при сохранении свойств органического носителя для его многократного использования. Статья об этом опубликована в журнале Chemical Engineering Journal.
Одно из направлений, которым занимаются ученые Водородного центра компетенций НТИ на базе ИК СО РАН, — разработка решений для хранения водорода в составе жидких органических носителей. Эта технология основана на циклическом процессе гидрирования — присоединения молекулы водорода к органическому носителю и дегидрирования — отщепления водорода. В качестве носителей используют углеводородные соединения, самые распространенные — метилциклогексан и толуол. В их составе водород можно безопасно хранить и транспортировать на дальние расстояния.
В коммерческих катализаторах дегидрирования применяют дорогую платину. Ученые ЦК НТИ смогли заменить ее намного более дешевыми системами на основе никеля и олова и добиться сопоставимой высокой селективности — 99,9 %. Специалисты провели реакцию, в ходе которой метилциклогексан превращается в толуол и происходит практически стопроцентная отдача водорода без разложения носителя — его затем можно использовать многократно.
Схема процесса гидрирования и дегидрирования водорода в составе жидких органических носителей
«Никель — хорошо известный катализатор реакций гидрирования и дегидрирования, но в немодифицированном виде у него крайне высокая каталитическая активность в побочных процессах, что приводит к разрушению молекул носителя. Мы провели серию экспериментов и подобрали наиболее эффективный модификатор — олово. В качестве носителя водорода использовался метилциклогексан: в реакторе под воздействием температуры в 350 ℃ при участии катализатора водород отделяется от носителя, который преобразуется в толуол. Его в свою очередь можно использовать в обратной реакции гидрирования, присоединяя к нему водород. Селективность процесса дегидрирования при использовании нашего катализатора составила 99,9 %», — рассказывает научный сотрудник Водородного центра компетенций НТИ кандидат технических наук Антон Павлович Коскин.
Для технологии жидких органических носителей водорода играют роль даже десятые доли процента селективности, и 0,1 % — это доля побочных продуктов, бензола и метана. Снижение концентрации бензола важно, так как это высокотоксичное и канцерогенное вещество.
«Если вести процесс неселективно, то бензол будет всё больше и больше накапливаться. Даже при селективности в 99 % за десять циклов накопится порядка 10 % бензола. Кроме того, извлекаемый водород будет также загрязнен метаном, а это сделает последующую очистку водорода более дорогой. Таким образом, наш катализатор позволяет минимизировать образование бензола и получать водород высокой чистоты», — поясняет инженер ЦК НТИ Сергей Александрович Степаненко.
По словам Антона Коскина, дальнейшие исследования будут направлены на изучение разработанных катализаторов в гидрировании и дегидрировании жидких органических носителей водорода нового поколения. Сейчас пара метилциклогексан-толуол коммерчески внедрена, но есть тенденция к отказу от метилциклогексана.
«Метилциклогексан имеет низкую температуру кипения, а это затрудняет очистку водорода от паров носителя после проведения дегидрирования. В качестве альтернативы рассматривают носитель с высокой температурой кипения — дибензилтолуол. Органические носители должны быть именно жидкими при температуре окружающей среды, чтобы можно было использовать существующую инфраструктуру — тогда это будет экономически оправдано», — отмечает ученый.
Пресс-служба Центра НТИ
Изображение предоставлено исследователями
