Американские химики-технологи разработали каталитическую колонну, в которой расплав металлов превращает метан в водород и углерод без образования побочных продуктов. За счет продувания пузырьков метана через расплав температурой около 1000 градусов эффективность конверсии метана в таких колоннах достигает 95 процентов. По словам авторы работы, опубликованной в Science, наиболее эффективным катализатором оказался сплав, который содержит 27 процентов никеля и 73 процента висмута.

Основной проблемой получения чистого водорода с помощью паровой конверсии метана является образование в ходе реакции углекислого газа. Когда этот процесс только разрабатывался, образование углекислого газа в качестве одного из продуктов реакции не считалось проблемой, однако сейчас из-за постоянного роста концентрации CO₂ в атмосфере в промышленных процессах по возможности стараются избегать его образования даже в качестве побочного продукта. В случае конверсии метана это можно сделать, например, используя реакцию пиролиза метана с образованием простых веществ: углерода и водорода. Осложняется переход к новой технологии тем, что образующийся углерод осаждается на поверхность твердых катализаторов реакции, что приводит к их пассивации и остановке процесса.

Для решения этой проблемы группа химиков-технологов из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре под руководством Эрика Макфарланда (Eric W. McFarland) предложила схему каталитической колонны высотой чуть больше одного метра, в которую катализатор помещается в виде расплава при температуре около 1000 градусов. Через этот расплав продуваются пузырьки метана, которые постепенно превращаются в водород и углерод. Образующийся уголь всплывает на поверхность расплава, где может быть собран и удален из реакционной зоны.

Схема каталитической колонны, в которой метан, двигаясь через расплав катализатора, превращается в газообразный водород и уголь. Brian Long / University of California, Santa Barbara

В качестве катализаторов такой реакции ученые использовали расплавы металлов и их сплавов, в которых активным компонентом являются переходные и благородные металлы. В своей работе химики сравнили активность расплавов различных катализаторов пиролиза метана, и наиболее эффективным катализатором в такой каталитической системе оказался сплав, содержащий 27 процентов никеля и 73 процента висмута. Активным компонентом в такой системе является никель, а висмут выполняет роль своеобразного «растворителя». С помощью такого расплава удалось получать 17 наномоль водорода в секунду с каждого квадратного сантиметра поверхности катализатора. Это примерно в сто раз больше, чем для расплава чистого висмута, в 50 раз эффективнее расплава свинца, и в 2 — 5 раз быстрее, чем при использовании других сплавов, содержащих платину и никель.

Для объяснения активности катализатора авторы работы провели компьютерное моделирование расплава металла, через который двигаются молекулы металла. Оказалось, что атомы активного компонента катализатора (например, никеля или платины) находятся в материале в виде отрицательно заряженных ионов, эффективный заряд которых и определяет каталитическую активность материала. А он в свою очередь сильно зависит от свойств металла-растворителя, в частности, его температуры плавления.

С помощью такой каталитической системы удалось провести конверсию метана с эффективностью около 95 процентов, которая не снижается и при повышении давления газа до примерно двух атмосфер. Поэтому уже в ближайшее время такие системы можно будет использовать для дешевого и экологически безвредного получения чистого водорода из метана.

В случае, если углерод является побочным продуктом реакции, а не основным, то его осаждение на поверхность катализатора можно предотвратить с помощью небольшого изменения химического состава катализатора. Например, если добавить в никелевый катализатор олово, то оно встраивается в те позиции, куда мог бы осаждаться углерод и таким образом сильно замедляет возможную пассивацию.

Автор: Александр Дубов