Об этом 12 января 2023 г. сообщил ИК СО РАН.
Катализ в общем понимании - это ускорение химических реакций под действием малых количеств веществ - катализаторов, которые сами в ходе реакции не изменяются.
Применение катализаторов:
- при переработке нефти;
- получении различных продуктов;
- создании новых материалов.
- твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ);
- протонно-обменных мембран (ПОМ);
- каталитических реакторов.
- из искусственных минералов со структурой флюорита, перовскита и шпинели.
- на микроскопическом уровне они имеют структуру естественных прототипов, но отличаются от них высокой удельной площадью поверхности.
Тезисы снс ОГК ИК СО РАН М. Симонова:
- у материалов для ПОМ и ТОТЭ должна быть высокая удельная площадь поверхности;
- природные материалы представляют собой что-то вроде монокристалла, то нужны искусственные пористые материалы, по структуре напоминающие губку;
- мембрана:
- это сложный «пирог» из нескольких составляющих, встречающихся в природе, но как целое может быть создана только в лаборатории;
- это фильтры, которые пропускают определенные газы и не пропускают другие;
- ПОМ очень эффективны для получения чистого водорода%
- для очистки синтез-газа от оксидов углерода необходимо провести несколько технологических операций,
- ПОМ позволяет очистить синтез-газ в 1 стадию, пропустив через себя только водород.
МОТ и ТОТЭ
Созданные 3 -слойные нанокомпозиты работают как мембрана:- верхний слой - газоплотный, пропускает только избранные газы, например, кислород;
- нижний слой - газопроницаемый, проводит любые газы за счет крупнопористой структуры;
- промежуточный слой - соединяет верхний и нижний слои.
ТОТЭ - это устройства для прямого преобразования химической энергии в электрическую:
- высокий КПД - до 60%:
- структура: катод, анод и мембрану между ними;
- технология:
- со стороны анода в топливный элемент подается топливо, например, водород,
- со стороны катода - окислитель,
- мембрана пропускает через себя окислитель;
- на аноде на поверхности катализатора топливо окисляется;
- при окислении:
- возникает ток, который можно использовать для питания потребителей,
- выделяется тепло, которое можно использовать и для отопления помещений.
По цветовой классификации, есть разный метановый водород: бирюзовый, голубой и серый.
Но при любой технологии, это сложный и многостадийный техпроцесс.
Мембранный реактор упрощает технологический процесс, позволяя в одном пространстве разместить каталитический реактор и ПОМ:
- метан с водяным паром подается на катализатор;
- получается синтез-газ;
- ПОМ очищает синтез-газ до чистого водорода;
- водород можно использовать как энергоноситель для ТОТЭ.
- отличаются от аналогов более низкой ценой,
- нанокомпозиты в ПОМ дешевле обычно используемых палладиевых пленок,
- проводимость водорода в единицу времени ПОМ одинакова с мембранами с палладиевыми пленками.
Кислородная подвижность и изотопный обмен
Кислородная подвижность обеспечивает проводимость.В ПОМ кислород обеспечивает:
- свой перенос через мембрану;
- перенос протонов - через мембрану в виде OH-групп.
В 1963 г. Г. Боресков, В. Музыкантов, В. Поповский:
- предложили метод изотопного обмена для характеризации оксидов;
- ввели термин гетерообмена - обмена между катализатором и кислородом, который находится в газовой фазе.
- первоначально гетерообмен кислорода проводили в закрытом реакторе в вакууме:
- легко интерпретировать результаты математически,
- сложно осуществить в лаборатории из-за трудной постановки экспериментов;
- гетерообмен в проточном реакторе при атмосферных условиях:
- в стационарном состоянии катализатора технически очень легко осуществить,
- вычислительная техника и современные методы численного моделирования позволяют относительно легко получать данные и характеризовать материалы.
Автор: А. Шевченко, О. Бахтина
