Группа учёных из Исследовательского центра Общества Фраунгофера в Юлихе и Университета RWTH Ахен разработала новый подход к созданию катализатора, который объединяет преимущества двух наиболее часто используемых методов катализа.
Новый подход к созданию катализатора основан на использовании металла иридия и демонстрирует в лабораторных условиях активность, в пять раз превышающую активность предыдущих эталонных систем, сохраняя при этом высокую стабильность в течение нескольких дней.
Ранее считалось сложным одновременно достичь высокой активности и долгосрочной стабильности. Полученные результаты могут помочь ещё больше повысить эффективность дорогостоящего, но высокоактивного материала катализатора — иридия, что внесёт значительный вклад в расширение использования «зелёного» водорода в качестве экологически чистого решения для хранения энергии.
Команда опубликовала результаты своего исследования в журнале EES Catalysis.
«Зелёный» водород играет важную роль в качестве среды для хранения энергии в экологически чистой энергетической системе будущего. Чтобы использовать его, водород необходимо эффективно хранить, транспортировать и высвобождать при необходимости. Ключевая задача здесь — максимально упростить использование высоколетучего газа.
Вещества-носители, такие как аммиак, метанол, муравьиная кислота и родственные им молекулы, являются потенциальными решениями. Катализаторы необходимы для связывания водорода в эти молекулы и его последующего высвобождения: они ускоряют необходимые реакции или делают их возможными и экономически выгодными.
Новизна подхода Юлиха — Ахена заключается в объединении двух миров катализа: гомогенного и гетерогенного.
В гомогенном катализе катализатор и реагирующее вещество (реагент) находятся в одной фазе — например, в газовой или жидкой.
В гетерогенном катализе катализатор является твёрдым веществом, а реагент — газообразным или жидким. Преимущества гетерогенного катализа заключаются в том, что катализатор и реагент можно легко и чисто разделить, что снижает затраты.
Гомогенный катализ, с другой стороны, может быть более активным и селективным, поскольку все атомы материала катализатора могут быть активными. Кроме того, структура катализатора и его химическая среда могут быть точно адаптированы для конкретной реакции. Однако в твёрдом теле атомы внутри наночастицы остаются неактивными, поскольку они не вступают в контакт с реагентами.
Обычно команда, состоящая из Института устойчивой водородной экономики Исследовательского центра Общества Фраунгофера в Юлихе (INW-2) и кафедры гетерогенного катализа и технической химии RWTH Ахенского университета, фокусируется на гетерогенном катализе.
«С новым катализатором мы попытались использовать лучшие аспекты другого мира — в нашем случае гомогенного катализа — для себя», — объясняет профессор Регина Палковиц, возглавляющая как INW-2, так и кафедру в Аахене.
Терпиридин играет здесь центральную роль — молекула, которая прочно связывает атомы металлов, таких как иридий. Для исследователей из Юлиха и Аахена было важно интегрировать структуру терпиридина, которая может очень стабильно связывать иридий, в полимер.
«Таким образом, иридий может быть отделён от реагента, как в гетерогенном катализе — в данном случае в качестве компонента полимера терпиридина», — объясняет Кеану Биркельбах, ведущий автор публикации. «В то же время каждый атом иридия в СМК (твёрдом молекулярном катализаторе) образует каталитически активный центр, как в случае гомогенного катализа».
Эта комбинация более высокой активности и лучшей разделимости является новой. Иридий можно использовать более эффективно, а также восстанавливать. Учитывая его высокую цену на мировом рынке, это открывает большие возможности для экономии. В настоящее время иридий примерно на 50 % дороже золота.
По словам Биркельбаха, дальнейшие шаги могут включать масштабирование реактора за пределы лабораторных масштабов и замену дорогостоящего иридия более доступным, но каталитически активным металлом. Также можно протестировать дополнительные молекулы-носители водорода. В лаборатории команда из Юлиха и Аахена использовала молекулярно определённый катализатор на основе иридия для высвобождения водорода из муравьиной кислоты.