Ученые Центра компетенций Национальной технологической инициативы «Водород как основа низкоуглеродной экономики» на базе ФИЦ «Институт катализа СО РАН» создали катализаторы из никеля и олова для процесса извлечения водорода из жидких органических носителей. Селективность, или избирательность этого процесса, составила 99,9% — это означает практически абсолютный выход запасенного водорода при сохранении свойств органического носителя для его многократного использования.
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 (МЦГ) и толуол. В составе этих жидких соединений водород можно безопасно хранить и транспортировать на дальние расстояния.
В коммерческих катализаторах дегидрирования применяют дорогую платину. Ученые Ц К НТИ смогли заменить ее намного более дешевыми системами на основе никеля и олова и добиться сопоставимой высокой селективности — 99,9%. Они проводили реакцию, в ходе которой метилциклогексан превращается в толуол, и происходит практически стопроцентная отдача водорода без разложения носителя, который затем можно использовать многократно.
«Никель — хорошо известный катализатор реакций гидрирования и дегидрирования, но в немодифицированном виде у него крайне высокая каталитическая активность в побочных процессах, и это приводит к разрушению молекул носителя. Нашей главной задачей было получить никелевый катализатор, который обладал бы высокой селективностью в целевом процессе извлечения водорода — дегидрировании. Высокая селективность нужна не только для высокого выхода продукта, но и для сохранения структуры носителя. Мы провели серию экспериментов и подобрали наиболее эффективный модификатор — олово. В качестве носителя водорода мы использовали метилциклогексан: в реакторе под воздействием температуры в 350 ℃ при участии катализатора водород от него отделяется с образованием толуола. Получаемый толуол 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 к.т.н. Антон 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 все 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 Степаненко.
По словам Антона Коскина, дальнейший вектор исследований будет направлен 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 МЦГ.
«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. Также важно, что органические носители должны быть именно жидкими при температуре окружающей среды, чтобы можно было использовать существующую инфраструктуру — тогда это будет экономически оправдано», — отмечает ученый.