Учёные из Центрального Южного университета в Китае разработали новую систему катализаторов, которая может произвести революцию в производстве чистого водорода. Она позволяет получать водород из метана при более низких температурах и одновременно решает проблему накопления углерода, которая мешает существующим методам.
Водород — востребованный энергоноситель благодаря его экологичности и способности приводить в действие топливные элементы. Однако большая часть коммерческого водорода сегодня производится из ископаемого топлива в энергоёмких процессах, которые выделяют большое количество углекислого газа.
Прямое разложение метана предлагает более простой и теоретически углеродно-нейтральный путь, но современные подходы требуют очень высоких температур и быстро теряют эффективность из-за накопления углеродных отложений на поверхности катализатора.
Прорыв, опубликованный в журнале Energy Environment Nexus, посвящён новому семейству катализаторов под названием шпинели алюмината никеля магния, легированного железом (Fe-doped nickel magnesium aluminate spinels). Точная настройка кристаллической решётки материалов, обозначаемых как NiOMgAl${2-x}$Fe${x}$O$_{4}$, позволила команде создать новые искажения в атомных связях, которые оптимизируют взаимодействия, способствующие разложению метана.
Эта продуманная настройка помогла повысить выход водорода при температуре до 650 °C и значительно снизила «отравление» катализатора углеродом, которое ограничивает срок его службы.
В экспериментальных тестах наиболее эффективный катализатор достиг степени превращения метана более 91% при высокой чистоте водорода в относительно мягких условиях. Катализатор также продемонстрировал замечательную стабильность. Даже после 20 полных циклов преобразования метана и очистки с помощью углекислого газа он сохранил большую часть своей активности, что намекает на практическую возможность его долгосрочного использования в промышленных условиях.
«Наша работа показывает, что искажения кристаллической решётки, полученные путём легирования железом, имеют решающее значение как для активации метана, так и для стимулирования эффективного выделения водорода», — сказал автор исследования Чжицян Сунь (Zhiqiang Sun).
«Эти результаты не только открывают новые научные горизонты, но и могут значительно продвинуть вперёд разработку катализаторов для крупномасштабного производства водорода».
Благодаря возможности создания водорода при низких температурах и устойчивости к закупорке углеродом, эта технология указывает на более дешёвые и экологичные методы производства, с потенциальными преимуществами для экологически чистого транспорта, устойчивых промышленных процессов и глобального перехода к энергетике.
Процесс также производит углерод в виде твёрдого побочного продукта, который может быть использован в промышленности, что дополнительно улучшает экономику производства чистого водорода.
Предоставлено Шэньянским сельскохозяйственным университетом.