Ученые разработали стабильный катализатор на основе никеля с примесью меди, который с 95% эффективностью превращает этанол в синтез-газ, используемый в химическом производстве, тепловой и электроэнергетике. Поскольку этанол удается получать из углекислого газа, эта реакция может использоваться для утилизации парниковых газов из воздуха. Таким образом, полученный катализатор потенциально поможет бороться с парниковым эффектом и одновременно получать синтез-газ. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в The Journal of Physical Chemistry C.
Чтобы уменьшить накопление парниковых газов — в первую очередь углекислого газа и метана — в атмосфере, ученые разрабатывают технологии их переработки в химически ценные продукты. Например, из углекислого газа можно получить сначала этанол, а затем синтез-газ — смесь водорода и угарного газа, которая используется при производстве электрической и тепловой энергии и для других целей. При этом, чтобы превратить этанол в синтез-газ, нужны катализаторы — вещества, ускоряющие реакцию. Чаще всего в этом случае используют катализатор на основе никеля, потому что он дешевый и эффективный. Однако, когда в ходе реакции никелевый катализатор нагревают, частицы металла спекаются («слипаются» между собой), а на их поверхности откладывается углерод, из-за чего со временем эффективность превращения снижается. Поэтому химики ищут способ улучшить никелевые катализаторы.
Ученые из Российского университета дружбы народов имени Патриса Лумумбы (Москва), разработалиустойчивый к спеканию металлический катализатор для получения синтез-газа из этанола. Чтобы предотвратить «слипание» наночастиц никеля при нагреве, авторы добавили к нему примесь меди в количестве 1%, 10% или 50%. Такие биметаллические — состоящие из двух металлов — наночастицы химики нанесли на подложку, то есть сложный сплав на основе оксидов алюминия, циркония и церия. Благодаря такой подложке на поверхности катализатора перестали откладываться частицы углерода.
Активность новых соединений ученые сравнили с аналогичными катализаторами, в составе которых было не два металла (никель и медь), а только один из них. Для этого на катализаторы подавали смесь этанола и углекислого газа при нагревании до 650°С в течение семи часов. В ходе всего процесса исследователи с помощью датчиков регистрировали продукты превращения.
Авторы доказали, что, меняя содержание меди в катализаторе, а также алюминия и циркония в подложке, можно получать синтез-газ с разным соотношением водорода и угарного газа в смеси. Это позволит точно настраивать производственный процесс в зависимости от требуемого состава газа.
Так, например, оказалось, что добавление 1% меди позволяет с 95% эффективностью получить синтез-газ, обогащенный водородом. Доля водорода в смеси составила от 55% до 68% в зависимости от состава подложки, тогда как в случае никелевого катализатора водорода и угарного газа образуется одинаковое количество — по 50%.
Кроме того, наблюдение за превращением показало, что за все время протекания реакции активность медно-никелевых катализаторов снизилась лишь незначительно (на 5–10% в зависимости от содержания меди). Это подтвердило высокую стабильность полученных соединений.
«Наши исследования показали, что добавление небольшого количества меди к никелевому катализатору позволяет сохранить его активность при высоких температурах благодаря тому, что он препятствует слипанию наночастиц между собой. Нанесение биметаллических наночастиц на подложку из оксидов металлов помогает избежать другого негативного эффекта — отложения углерода на поверхности катализатора. Предложенная каталитическая система будет полезна для утилизации парниковых газов и получения из них простым и экологичным способом соединений, использующихся в химии и энергетике. В дальнейшем мы планируем тестировать наши лучшие катализаторы в нескольких циклах работы, а также исследовать возможность их применения в процессах переработки других соединений, в частности, глицерина и метана», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Анна Жукова, кандидат химических наук, доцент, ведущий научный сотрудник кафедры физической и коллоидной химии РУДН им. Патриса Лумумбы.
***
Больше результатов исследований грантополучателей Российского научного фонда и актуальных новостей из мира науки доступны в социальных сетях РНФ Вконтакте и Телеграм