USD 70.8924

+0.29

EUR 75.9087

-0.13

BRENT 84.36

+0.42

AИ-95

0

AИ-98

0

ДТ

0

, Обновлено 17 января 11:53
3 мин
...

Российские ученые создали универсальные нанокомпозиты с кислородной подвижностью. Они пригодятся в водородной энергетике

Материалы изготовлены из искусственных минералов со структурой флюорита, перовскита и шпинели.

Российские ученые создали универсальные нанокомпозиты с кислородной подвижностью. Они пригодятся в водородной энергетике

Описание: Протонобменная мембрана. В разрезе

Источник: Институт катализа СО РАН

Москва, 16 янв - ИА Neftegaz.RU. Ученые из Института катализа СО РАН разработали катализаторы на основе искусственных минералов для применения в контексте водородной энергетики.

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:

Сибирские ученые дерзко нашли применение катализаторов для создания важных приложений водородной энергетики:
  • твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ);
  • протонно-обменных мембран (ПОМ);
  • каталитических реакторов.
Сибиряки разработали нанокомпозитные катализаторы с высокой подвижностью кислорода на основе искусственных минералов:
  • 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.
Работы были начаты под руководством главного научного сотрудника отдела гетерогенного катализа ИК СО РАН, доктора химических наук В. Садыкова.
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.
Для любознательных напомним, получение синтез-газа - это 1я стадия превращения природного газа и угля в искусственное жидкое топливо (GTL технологии) и химические продукты.

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.
Мембраны могут использоваться как отдельно, так и в ТОТЭ.
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.
В качестве топлива для ТОТЭ проще всего использовать водород.
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.
Преимущества сибирских мембран ИК СО РАН:
  • 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.
Пилотные испытания ПОМ доказали свою перспективность.

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.
Методы изотопного обмена позволяют количественно измерить подвижность, чтобы сравнивать разные материалы между собой.
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.
Изотопный обмен можно проводить 2 способами - в закрытом и открытом реакторе:
  • 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.
Работы проводятся в рамках Центра Национальной технологической инициативы «Водород как основа низкоуглеродной экономики».



Автор: А. Шевченко, О. Бахтина


Подписывайтесь на канал Neftegaz.RU в Telegram
Новости СМИ2




Подпишитесь на общую рассылку

лучших материалов Neftegaz.RU

* Неверный адрес электронной почты

Нажимая кнопку «Подписаться» я принимаю «Соглашение об обработке персональных данных»