Вода катализатор

Американские исследователи из Университета Хьюстона обнаружили катализатор, который активно ускоряет реакцию разложения воды на водород и кислород и, в отличие от аналогов, состоит из легкодоступных и недорогих материалов. Для его производства не используются драгоценные металлы, и работает он намного эффективнее, чем известные катализаторы. Такой материал позволил бы решить одну из основных проблем использования воды для производства водорода как одного из наиболее перспективных источников «чистой» энергии.

«Водород — это самый «чистый” энергоноситель, которым мы располагаем на Земле, — говорит Пол Чу (Paul Chu), профессор, заведующий кафедры физики Университета Хьюстона, директор-основатель и руководитель исследовательских работ Техасского центра исследований сверхпроводимости Университета Хьюстона (Texas Center for Superconductivity at UH, TcSUH). — Вода могла бы быть бесконечным источником водорода, если бы мы научились эффективно разрывать прочную химическую связь водорода с кислородом в воде с помощью электрического тока и соответствующего катализатора».

Новый катализатор был получен исследовательской группой Пола Чу при Университете Хьюстона, в которую также входят профессор физики Жифенг Рен (Zhifeng Ren) и доцент Шуо Чен (Shuo Chen), ведущие исследователи TcSUH, научные сотрудники Хайчин Чжоу (Haiqing Zhou) и Фанг Юй (Fang Yu), а также аспиранты Джинджинг Сан (Jingying Sun) и Ран Хей (Ran He).

Катализатор, состоящий из метафосфата железа, в кристаллическом виде выращенного на электропроводящей никелевой подложке, имеющей губчатую структуру, намного более эффективен и дёшев, чем любые аналоги.

«Наш материал позволяет отлично сэкономить, и он намного более эффективен, превосходя имеющиеся катализаторы», — говорит Жифенг Рен, профессор физики Онкологического центра имени М. Д. Андерсона при Университете Хьюстона и ведущий автор статьи о результатах работы исследовательской группы Пола Чу. Катализатор также долговечен, на испытаниях он успешно проработал более 20 часов и выдержал 10 тыс. рабочих циклов. «Некоторые катализаторы обладают выдающимися характеристиками, но они стабильны только один-два часа, — рассказывает Жифенг Рен. — Такие материалы практически бесполезны».

Реакция разложения воды на водород и кислород теоретически очень проста, но на практике она представляет из себя сложный процесс, требующий двух отдельных химических взаимодействий — реакции выделения водорода и реакции выделения кислорода, каждая из которых протекает на отдельном электроде. И, хотя эффективные водородные катализаторы доступны, отсутствие недорогого и действенного кислородного катализатора создаёт учёным значительные трудности в области водородной энергетики.

Водород имеет ряд значительных преимуществ. «Водород, полученный посредством разложения воды электрохимическим процессом «водного электролиза”, считается наиболее экологически безопасным энергоносителем, способным заменить ископаемое топливо и удовлетворить растущий спрос всего человечества на электроэнергию, поскольку вода является одновременно и единственным сырьём, и «продуктом сгорания” — ведь экологичная «водородная энергия” получается путём преобразования этого химического элемента обратно в воду», — поясняют исследователи. При этом, в отличие от солнечной энергии, ветра и других видов «зелёной» энергии, водород относительно легко хранить.

В настоящее время водород получают тремя основными промышленными способами: паровой обработкой угля в специальных газогенераторах, газопаровой конверсией природного газа и электролизом воды, особенно если нужен сверхчистый водород.

При первом способе над раскалённым добела коксом (углём, нагреваемым без доступа кислорода) пропускают водяной пар, при этом из-за высокой температуры атомы водорода в воде замещаются на атомы углерода — образуется смесь угарного газа (CO) и водорода (H2), которую затем разделяют или используют как есть. Во втором случае, также при высокой температуре (около 1000 °C), осуществляется превращение метана с водяным паром, углекислым газом (CO2) или смесью водяного пара и углекислого газа в присутствии катализатора на основе никеля с добавками оксидов магния, алюминия и других металлов, причём образующуюся смесь водорода и угарного газа нужно затем дополнительно обрабатывать водяным паром. Водород также получают как побочный продукт производства хлора и гидроксидов щелочных металлов, которое осуществляется электролизом растворов их хлоридов.

Все эти методы сложны, крайне энергозатратны и связаны с выработкой вредного угарного газа, а также сажи, то есть имеют существенный «углеродный след», несмотря на то, что исходное сырьё в данных процессах сгорает относительно «чисто».

Исследовательница Шуо Чен отмечает, что известные на сегодняшний день катализаторы, ускоряющие реакцию выделения кислорода при электролизе воды, используют благородные металлы — иридий, платину или рутений. Но эти материалы дороги и недоступны.

«В своём исследовании мы обнаружили дешёвый, высокоэффективный и стабильный катализатор, основанный на широко распространённых химических элементах, который поразительным образом превосходит все благородные металлы, — подытоживает Шуо Чен. — Наше открытие может привести к гораздо более экономичному промышленному производству водорода простым электрохимическим разложением (электролизом) воды».

Отметим, что разложение воды на составные элементы может осуществляться и с помощью фотокатализа, который использует силу солнца. Однако прямое воздействие солнца на воду слишком неэффективно, так как вода поглощает лишь небольшую часть спектра солнечного излучения. Шуо Чен поясняет, что в идеале солнечные батареи будут использоваться для выработки электроэнергии, которая вместе с соответствующим катализатором позволит легко и эффективно разлагать воду для получения такого нужного человечеству химического элемента, как водород.

Отечественная технология получения водорода

Рассказывает И. В. Мещерин, к.т.н., доцент кафедры газохимии РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, председатель Комитета по технологическому проектированию в НОПРИЗ, президент Национальной палаты инженеров:

— Известно, что производство водорода в основном осуществляется крупнотоннажными системами с единичной объёмной производительностью в диапазоне 10–100 тыс. Нм³/ч . От 1 до 5 % получаемого водорода находит применение в малотоннажных, наукоёмких отраслях промышленности: электронной, электротехнической, стекольной, фармацевтической, пищевой; выплавке металлов и сплавов высокой чистоты; синтезе химически высокоактивных веществ и других отраслях. Водород является ценным химическим реагентом, и его получение и концентрирование из топливных, остаточных, сбросных газов позволяет значительно повысить экономическую эффективность производства. Водород почти не встречается в природе в чистом виде, но потребление данного газа во всём мире неуклонно растёт. Для производства водорода необходимо специальное оборудование, отличительной чертой которого является компактность и надёжность.

Децентрализованное (то есть малотоннажное) производство водорода требует создания высокоэффективных технологий с уровнем единичной объёмной производительности в диапазоне от 10 до 1000 Нм³/ч .

Данный аспект в сегодняшней ситуации может иметь существенное влияние на экономическую эффективность производств, в которых используется водород. В условиях экономического кризиса поиск технологий получения водорода с меньшими затратами является актуальной задачей. В настоящий момент внутрироссийские регулируемые цены на природный газ продолжают оставаться одними из самых низких в мире, даже с учётом более чем двукратного падения цен на природный газ на европейском рынке. Одним из альтернативных решений могут быть технологии получения водорода из природного газа.

Изучение конкретной проблематики производилось сотрудниками кафедры газохимии РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина в условиях завода по производству кварцевого стекла — ООО «Технокварц» в городе Гусь-Хрустальный.

Компания ООО «Технокварц» производит водород для производственных нужд с помощью блока электролизёров БЭУ-250, состоящий из шести электролизёров СЭУ-40. Этой производительности достаточно для обеспечения существующего объёма потребления водорода в технологии наплава кварцевого стекла. Целью работы являлся поиск экономически более эффективного метода получения водорода на базе ресурсов завода.

Промышленное производство кварцевого стекла связано с развитием экстремальных процессов со специфическими условиями, главным образом в космической и электронной технике, производстве чистых, особо чистых веществ, редких металлов, высокотемпературных неорганических соединений и т.п.

В результате анализа существующих методов получения водорода был выбран, как наиболее целесообразный, метод паровой конверсии природного газа. При помощи д.т.н., профессора М. Х. Сосны был произведён технологический расчёт блока конверсии для установки получения водорода. Входными данными послужили составы входящих потоков, их объёмы, температуры, давления, доля водяного пара, а также длина реактора, его диаметр и толщина стенки (расчёт реактора в 2016 году выполняла Мария Давыдова, технолог газохимии и магистрантка РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина). В результате обработки полученных данных получен материальный баланс процесса (табл. 1), конверсия метана составила 92,6 %. Был также проработан вопрос изготовления реактора из кварцевого стекла.

Ниже приводится эскиз гипотетического мини-, микрореактора проточного типа из кварцевого стекла в горизонтальном исполнении для проведения химических процессов. Основой реактора служит модуль, представленный на рис. 1. Зоны 1 и 2 служат для подачи исходных компонентов, реакционная зона 3 предназначена для размещения катализаторов, нагрева рабочей смеси до температуры реакции, воздействия ВЧ-, ВУФи СВЧизлучения или иного технологического воздействия. Конфигурация зоны 3 может формироваться по требованиям ведения химических реакций. Зона 4 организована как циклон для разделения и закалки продуктов реакции, в том числе и как газовая центрифуга. Единичные модули в расчётном количестве собираются в батарею, как показано на рис. 2. По усмотрению разработчиков промышленные модули могут быть спроектированы и в вертикальном исполнении цилиндрической или иной формы.

Экономическая эффективность достигается за счёт того, что используется относительно недорогой природный газ, по сравнению с дорогой электроэнергией, себестоимость оборудования из кварцевого стекла на 25–40 % меньше, чем из металла.

Возможность развития конкретной технологии и отладки её внутри предприятия открывает новый метод получения водорода для малотоннажных производств. Кроме того, появление нового перспективного ассортимента товарной продукции существенно усовершенствует технологии обработки кварцевого стекла, дополнительно будет способствовать улучшению экономических показателей кварцевого производства.

Поскольку паровая конверсия природного газа в комплексе с аппаратурным оформлением процесса является составной частью синтеза материалов по реакциям Фишера-Тропша, перед ООО «ТехноКварц» возникает перспектива нового направления — изготовление высокоэффективных минии микроканальных кварцевых реакторов для других сегментов отрасли газохимии.

Ханчжоу, 17 мая /Синьхуа/ — Китайские исследователи создали новый катализатор, который позволяет экономично получать из воды водород путем имитации фотосинтеза.

Разработка принадлежит профессору из Чжэцзянского университета /г. Ханчжоу, пров. Чжэцзян/ Хоу Яну и возглавляемой им научной группе.

Новинка значительно снизит стоимость водородного топлива, говорится в статье, опубликованной в онлайновой версии журнала Nature Communications.

Имеющиеся катализаторы для получения водорода из воды, как правило, изготовляют из иридия, представляющего собой редкий металлический элемент. Поэтому они либо очень дорогие, либо неэффективные и нестабильные, сообщил профессор.

Хоу Ян с коллегами создал новинку на основе никеля, которая обладает своеобразной структурой, имеющей сходство с атомной структурой хлоропласта. Эта новинка способна уменьшить затраты на производство водорода более чем на 80 проц.

Водородное топливо является экологически чистым и характеризуется высоким количеством теплоты при сгорании.

Процесс получения водорода путем расщепления воды может удовлетворить спрос на топливо высокой плотности для автомобилей на новых источниках энергии /NEV/, убежден профессор Хоу Ян.

По принципу действия разработка напоминает солнечную батарею, но в отличие от неё может производить электроэнергию и в темное время суток.

Для расщепления воды, учёные использовали тонкие пластинки кремния и тонкую, всего в несколько нанометров толщиной никелевую плёнку. Никель помогает оптимизировать параметры источников электроэнергии. В результате всех манипуляций помещённая в сосуд вода под действием солнечных лучей расщепляется на водород и кислород.

Работа расщепляющей установки основана на протекании электрического тока через воду от одного электрода к другому, что вызывает ее расщепление. Благодаря использования никелевой плёнки, покрывающей одну из кремниевых пластин, электричество вырабатывается путём попадания на пластину солнечного света. В этом процессе никелевая плёнка выполняет сразу две функции — повышение напряжения в системе и защита электрода от молекул кислорода, оказывающих разрушающее влияние.

Ученые рассказали, что днем система параллельно превращает водород в полезную энергию. Ее избыток накапливается в специальных резервуарах и используется для перекрытия пиковой нагрузки вечером.

КПД установки имеет довольно высокий показатель, соответствующий промышленным установкам, которые производят водород. Вместе с тем стоимость такой установки в разы дешевле.

Читайте самые интересные истории ЭлектроВестей в Telegram и Viber


Разделение воды, с целью получения водорода, является «священным Граалем» многих ученых, ведущих работы в направлении разработки практически неисчерпаемого источника экологически чистой энергии. Теперь, благодаря исследования ученых университета Монаша (Monash University) в Австрии, этот процесс будет реализовать гораздо проще, чем считалось ранее. Согласно профессору Леоне Спиччиа (Leone Spiccia), ключом к водородной энергетике будущего может стать природный минерал бернессит (Birnessite), который в природе придает черную окраску некоторым горным породам.
«Камнем преткновения процесса получения водорода является собственно разложение воды на кислород и водород. Используя традиционные способы на разрушение химических связей требуется очень много энергии, что делает эти процессы экономически невыгодными. Наша команда разработала процесс расщепления молекулы воды, основанный на марганцесодержащем катализаторе и использующий для этого солнечный свет» — говорит профессор Спиччиа. — «Основой минерала бернессита является марганец, который, как и все элементы из середины периодической системы, может существовать в нескольких состояниях, которые химики называют степенями окисления. Это соответствует количеству атомов кислорода, с которыми связан атом вещества».
Изначально ученые пытались использовать весьма сложные катализаторы на основе того же марганца. После того, как им удалось получить достаточно эффективный каталитический процесс разложения воды на водород и кислород, используя электрический ток, они, используя совершенные спектроскопические методы анализа, обнаружили, что использованный ими сложный катализатор преобразовался в более простое соединение, аналогом которого является природный минерал бернессит. Работа этого катализатора полностью повторяет процессы, на которых основывается процесс расщепления воды под воздействием солнечных лучей в природе.
«Эти исследования позволили нам проникнуть глубже в тайны природы и выяснить как в действительности в природе работает естественный марганцевый катализатор» — рассказывает доктор Розали Хокинг (Dr Rosalie Hocking) из Австралийского центра изучения электроматериалов (Australian Centre for Electromaterials Science). — «Ученые приложили большие усилия к созданию сложных марганцесодержащих молекул для того что бы получить эффективный катализатор. Но все оказалось гораздо проще, самой большой эффективностью в области расщепления воды обладает естественный материал, который достаточно устойчив, что бы выдержать жесткие физические и химические нагрузки во время его использования».

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *