Катализаторы из никеля и олова для процесса извлечения водорода из жидких органических носителей с селективностью 99,9% разработали специалисты Центра компетенций (СК) Национальной технологической инициативы (НТИ) «Водород как основа низкоуглеродной экономики», созданного на базе ФИЦ «Институт катализа СО РАН» (ИК СО РАН), 22 ноября сообщает пресс-служба центра.

Такая невероятно высокая селективность (избирательность) — 99,9% — означает, что новые катализаторы обеспечивают практически абсолютно полный выход запасенного в носителе водорода. При этом свойства органического носителя водорода сохраняются, позволяя использовать его многократно, а сам катализатор намного дешевле применяемых в настоящее время.

Разработка способов хранения водорода в жидких органических носителях является одним из направлений исследований ученых Водородного центра компетенций НТИ.

Технология хранения водорода в жидких органических носителях основана на возможности циклического повторения процесса гидрирования (присоединения молекулы водорода к органическому носителю) и дегидрирования. Носителями служат углеводородные соединения. Из них самые широко применяемые — метилциклогексан (МЦГ) и толуол, которые позволяют хранить и транспортировать растворенный в них водород на дальние расстояния.

В настоящее время в катализаторах дегидрирования используется дорогая платина. Катализаторы, созданные в ЦК НТИ, представляют собой гораздо более дешевые системы на основе никеля и олова, но обеспечивают при этом сопоставимую высокую селективность (99,9%).

Действие нового катализатора обеспечивает реакцию дегидрирования растворенного водорода, при которой МЦГ превращается в толуол с практически стопроцентной отдачей водорода без разложения носителя, что обеспечивает его многократное использование.

Научный сотрудник Водородного центра компетенций НТИ к. х. н. Антон Коскин рассказал о проведенной работе:

«Никель — хорошо известный катализатор реакций гидрирования и дегидрирования, но в немодифицированном виде у него крайне высокая каталитическая активность в побочных процессах, и это приводит к разрушению молекул носителя. Нашей главной задачей было получить никелевый катализатор, который обладал бы высокой селективностью в целевом процессе извлечения водорода — дегидрировании».

Он пояснил, что высокая селективность обеспечивает не только высокий выход водорода, но необходима для сохранения структуры носителя. Проведя серию экспериментов, ученые выяснили, что наиболее эффективным модификатором никелевого катализатора является олово.

«В качестве носителя водорода, — продолжил объяснения ученый, — мы использовали метилциклогексан: в реакторе под воздействием температуры в 350 ℃ при участии катализатора водород от него отделяется с образованием толуола. Получаемый толуол можно использовать в обратной реакции гидрирования, присоединяя к нему водород».

Он отметил, что для технологии хранения водорода в жидких органических носителях важны даже десятые доли процента селективности, так как они показывают долю вредных побочных продуктов — высококанцерогенного бензола и метана.

«Если вести процесс неселективно, то бензол будет все больше и больше накапливаться. Даже при селективности в 99% за десять циклов накопится порядка 10% бензола. Кроме того, извлекаемый водород будет также загрязнен метаном, а это сделает последующую очистку водорода более дорогой. Таким образом, наш катализатор позволяет минимизировать образование бензола и получать водород высокой чистоты», — пояснил инженер ЦК НТИ Сергей Степаненко.

Результаты исследования нового катализатора ученые представили в статье «Природа необычайной селективности дегидрирования метилциклогексана на катализаторах на основе Ni-Sn», опубликованной в «Химико-технологическом журнале», том 476.

Поскольку намечена тенденция к отказу от МЦГ, то дальнейшие исследования ученых ЦК НТИ будут направлены на изучение работы созданных катализаторов с жидкими органическими носителями водорода нового поколения.

«Метилциклогексан имеет низкую температуру кипения, а это затрудняет очистку водорода от паров носителя после проведения дегидрирования. В качестве альтернативы рассматривают носитель с высокой температурой кипения — дибензилтолуол. Также важно, что органические носители должны быть именно жидкими при температуре окружающей среды, чтобы можно было использовать существующую инфраструктуру — тогда это будет экономически оправдано», — отметил ученый.