Сотрудники лаборатории катализа и газовой электрохимии кафедры физической химии химического факультета МГУ предложили способ получения близкого к оптимальному катализатора для очистки водорода от примесей монооксида углерода СО. Более чистый водород обеспечивает долгую жизнь топливных элементов, что критически важно для водородной энергетики. Работа опубликована в журнале Applied Surface Science.
Основным и наиболее дешевым методом получения водорода в мире остается переработка природного газа. Такой водород содержит значительную долю угарного газа, который удаляют адсорбционными методами. Однако эти методы не способны полностью очистить водород, и в нем остаются небольшие примеси CO.
«Водород используют в мембранных топливных элементах, которые служат источниками экологически чистой, "зеленой" энергии, – объяснил сотрудник лаборатории катализа и газовой электрохимии, аспирант Игорь Каплин. – В состав таких устройств входит платиновый катализатор, который очень чувствителен к присутствию CO. Даже небольшие примеси этого газа в потоке водорода заметно снижают эффективность топливных элементов и уменьшают срок их эксплуатации».
Для очистки водорода от очень низких концентраций СО применяют технологии каталитического окисления. Важно, чтобы каталитическая система была не только активна, но и селективна, то есть способствовала быстрому окислению СО и минимально ускоряла побочные реакции, главным образом, окисление водорода. Важным свойством катализатора также является стабильность в широком температурном интервале.
«Поиск катализаторов ведется сразу в нескольких направлениях, – рассказал Игорь Каплин. – Во-первых, совершенствуют катализаторы на основе благородных металлов. Безусловно, они очень активны, но имеют ряд недостатков. Такие системы теряют активность в процессе спекания при высоких температурах, а еще они дорогие. Кроме того, некоторые благородные металлы могут ускорять побочные процессы. Вторым, более перспективным направлением является разработка оксидных катализаторов на основе церия. Они дешевле, более стабильны в реакционных условиях, но по активности уступают благородным металлам. Однако их эффективность можно улучшить различными способами, например, путем добавления промоторов и за счет оптимизации условий приготовления».
В работе авторы предложили новый метод приготовления оксидного катализатора, состоящего их трех компонентов. Двумя активными составляющими выступили диоксид церия и оксид меди. Третьим компонентом стал диоксид кремния, обладающий способностью стабилизировать частицы оксидов в высокодисперсном состоянии.
«Главной нашей заслугой является то, что мы предложили близкий к оптимальному состав катализатора и усовершенствовали методику его приготовления, – пояснил Игорь Каплин. – Способ синтеза катализатора очень важен. От него зависят удельная площадь поверхности и структурные свойства катализатора, размер и дисперсность частиц активного компонента. Мы показали, что использование высокого соотношения церия к кремнию и специального метода приготовления тройных оксидных систем позволяет получить катализатор с мелкими наночастицами диоксида церия и модификатора – оксида меди, причем модификатор равномерно распределен на поверхности. Данная система оказалась стабильной и проявила высокую каталитическую активность в реакции предпочтительного окисления CO в присутствии избытка водорода».
Как говорят авторы, на пути к промышленному использованию предстоит проделать еще большой комплекс дополнительных исследований. Ближайшим этапом станет испытание образцов на полупромышленной установке и изучение механических характеристик катализатора.