Синтез-газ, также известный как «сиngas», представляет собой смесь водорода (H₂) и оксида углерода (CO). Помимо устоявшегося метода производства через паровую конверсию, синтез-газ можно альтернативно и более энергоэффективно производить из метана (CH₄) и кислорода.
Однако в этом процессе необходимо избегать полного окисления (сгорания) метана до CO₂ и H₂O, поэтому во всём мире проводятся масштабные исследования по производству синтез-газа.
Для этого используются катализаторы, содержащие такие элементы, как палладий. Однако до сих пор было неясно, как именно происходит преобразование метана в синтез-газ на поверхностях палладия.
Благодаря сотрудничеству между Венским техническим университетом (TU Wien) и Национальным университетом Сингапура (NUS) удалось наблюдать за процессом с помощью просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения — так называемой operando TEM — в сочетании с компьютерным моделированием.
Результаты, опубликованные в журнале Advanced Science, показывают, что для реакции требуется синергия между различными областями катализатора.
«Метан является основным компонентом природного газа. Сегодня мы используем его не только для отопления, что проблематично из-за глобального потепления, но и в качестве сырья для производства химикатов и топлива», — говорит профессор Гюнтер Рупрехтер из Института химии материалов в TU Wien.
«Даже в будущем метан будет играть роль в производстве синтез-газа и, вероятно, не сможет быть полностью заменён в течение следующего десятилетия».
Интенсивные исследования направлены на поиск новых процессов для более эффективного производства синтез-газа из метана, избегая при этом переоксидирования — то есть сгорания до CO₂ и воды. Этот процесс называется «частичное окисление метана» (POM).
«В последние годы мы исследовали POM на различных катализаторах, большинство из которых были на основе никеля», — говорит Рупрехтер.
Было известно, что катализаторы из металлических наночастиц работают хорошо. Но открытым оставался вопрос, что именно происходит с отдельными металлическими наночастицами во время каталитической реакции.
«В частности, мы хотели знать: если реакция проводится с наночастицами палладия, ответственен ли за катализ сам палладий или оксид палладия, который образуется во время реакции?» — объясняет Рупрехтер.
Этот вопрос впервые удалось решить благодаря сочетанию передовых подходов: команда наблюдала за наночастицами в реальном времени во время каталитической реакции с помощью просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения.
В то же время для мониторинга того, какие продукты образуются в какой момент времени, использовалась масс-спектрометрия — и всё это дополнялось компьютерным моделированием. Эта комбинация позволила впервые получить более точную механистическую картину процесса.
Александр Генэст из команды TU Wien, который ранее был связан с Центром высокопроизводительных вычислений A*STAR в Сингапуре, на протяжении многих лет поддерживал сотрудничество между TU Wien и Сингапуром.
«Используя компьютерное моделирование, мы ранее изучали окисление наночастиц Pd и окисление CO, так что расширение до окисления метана было очень многообещающей целью», — говорит Александр Генэст.
Вместе с кандидатом наук Паринной (Льюисом) Танпакконсабом он провёл моделирование, основанное на теории функционала плотности (DFT), для изучения активации метана и последующих стадий реакции.
«Мы хотели понять происхождение частичного и полного окисления и уточнить, что именно происходит на атомном уровне», — говорит Танпакконсаб.
Результат оказался сложнее, чем ожидалось: ни металл, ни оксид металла в одиночку не отвечают за катализ — наилучшая производительность достигается при совместной работе обоих компонентов.
«Две фазы выполняют разные задачи», — объясняет Рупрехтер. «Палладий дегидрирует метан до углерода и водорода, в то время как оксид палладия окисляет углерод до CO». Это означает, что наиболее эффективный катализ может происходить исключительно в пограничных областях между палладием и оксидом палладия.
«Наша группа уже активно занималась электронной микроскопией поверхностных окислительных реакций в прошлом, но это новое исследование operando-TEM расширяет эту работу до промышленных условий… у нас скоро появятся специальные реакторные ячейки в TU Wien для подобных исследований operando-TEM», — говорит Рупрехтер, научный руководитель MECS.
Предоставлено Венским техническим университетом.