Химики усовершенствовали катализатор для получения топлива из углекислого газа и метана, как минимум в два раза продлив время его эффективной работы. Как сообщают авторы исследования в статье, опубликованной в Applied Catalysis B: Environmental, такого эффекта им удалось добиться за счет добавления в катализатор олова и оксида церия, что привело к подавлению осаждения углерода на поверхность катализатора. В будущем такие материалы могут применяться для переработки атмосферных парниковых газов.

Увеличение содержания парниковых газов в атмосфере является одной из причин глобальных климатических изменений на Земле. В качестве одного из способов уменьшить уровень парниковых газов ученые предлагают использовать их химическую переработку. Например, с помощью фотокатализаторов углекислый газ можно преобразовывать в углеводородное топливо. Одним из альтернативных способов является взаимодействие захваченного из атмосферы углекислого газа с метаном — другим парниковым газом, сильно влияющим на климат. При их реакции происходит конпропорционирование углерода с образованием угарного газа. Проблема такого процесса состоит в том, что при побочных реакциях образуется большое количество углерода, который осаждается на поверхность катализатора и очень быстро снижает его эффективность.

Коллектив химиков из Великобритании и Испании под руководством Томаса Рейны (Tomas R. Reina) из Университета Суррея предложил способ усовершенствования катализаторов реакции углекислого газа с метаном, который позволяет уменьшить скорость образования углерода в процессе побочных реакций. В своей работе ученые предложили модифицировать химический состав катализатора, в котором никель нанесен на матрицу из оксида алюминия. Для повышения его эффективности авторы работы изменяли как состав самого материала катализатора, так и состав матрицы.

Микрофотография частицы модифицированного катализатора с картированием его элементного состава. T. Stroud et al./ Applied Catalysis B: Environmental, 2017

Модифицированный катализатор ученые проверили на реакции сухого риформинга метана, которая проходит без участия дополнительных реагентов (воды или кислорода) и приводит к получению синтез-газа — смеси водорода и угарного газа. Сначала авторы исследования проверили, как будет изменяться скорость реакции при изменении состава самого катализатора, добавив в никель небольшое количество олова. Оказалось, что добавление олова позволят избежать резкого падения эффективности катализатора, характерного для немодифицированного состава уже через 10 часов его работы, которое связано с осаждением на его поверхность углерода. Такой эффект ученые объясняют тем, что в кристаллической структуре катализатора атомы олова занимают те позиции, которые потенциально мог бы занять углерод.

Динамика изменения концентрации метана (слева) и углекислого газа (справа) для катализаторов разного состава. Черной линией показаны данные для немодифицированного катализатора (никель на матрице из оксида алюминия), цветными линиями — данные для различных вариантов модификции. T. Stroud et al./ Applied Catalysis B: Environmental, 2017

Для дальнейшего увеличения эффективности ученые предложили изменить состав не только самого катализатора, но и матрицы, на которую он наносится. К оксиду алюминия химики решили добавить оксид церия, который увеличивает долю кислорода вблизи поверхности катализатора и изменению его кислотно-основных свойств. В результате такая добавка позволила еще увеличить скорость реакции, так что эффективность конверсии метана через 20 часов работы катализатора увеличилась на 5–10 процентов относительно катализатора с немодифицированной матрицей и примерно на 20 процентов относительно начального уровня.

По утверждению ученых, такой катализатор, который без заметного снижения эффективности позволяет превращать углекислый газ и метан в синтез-газ, в будущем можно будет использовать для борьбы с увеличением количества выбросов углекислого газа в атмосферу.

Одним из альтернативных способов увеличения эффективности катализаторов для конверсии парниковых газов является модификация зонной структуры катализатора за счет изменения его морфологии. Благодаря такому подходу использование нанокристаллических катализаторов можно использовать для увеличения эффективности до 99 процентов.

Автор: Александр Дубов