Экологичный фотокатализатор для получения синтез-газа

Этот катализатор обеспечивает высокую эффективность использования света, даже при комнатной температуре. В отличие от термокатализа, в фотокатализе были достигнуты длительная стабильность (50 ч) и высокая селективность (> 99%)

Частицы, крошечные сферы меди, усеянные единичными атомами рутения, становятся ключевым компонентом экологичного процесса производства синтез-газа, ценного химического сырья, которое используется для производства топлива, удобрений и многих других продуктов.

Описание низкоэнергетического и низкотемпературного процесса производства синтез-газа представлено в Nature Energy.

«Синтез-газ может быть получен разными способами. К одному из них относится сухой риформинг метана (CO₂ + CH₄ → 2H₂ + 2CO). В этой реакции потребляются два мощных и проблемных парниковых газа - метан и диоксид углерода, а производятся полезные химические строительные блоки, водород и окись углерода».

Синтез-газ - это смесь угарного газа и газообразного водорода, которая может быть получена из угля, биомассы, природного газа и других источников. По данным анализа BCC Research, проведенного в 2017 году, он производится на сотнях газификационных установок по всему миру и используется для производства топлива и химикатов на сумму более 46 миллиардов долларов в год.

Катализаторы, материалы, которые стимулируют реакции, имеют решающее значение для газификации. Газификационные установки обычно используют пар и катализаторы для разделения углеводородов. Атомы водорода образуют парообразный водород, а атомы углерода соединяются с кислородом и формируют оксид углерода.

При сухом риформинге атомы кислорода получаются из углекислого газа, а не из пара. Но до сих пор сухой риформинг не был привлекательным для промышленности, потому что обычно требует более высоких температур и большего количества энергии, чем паровые методы.

Исследователи годами работали над созданием наночастиц, которые могут с хирургической точностью доставлять энергию в химические реакции. В 2011 году было показано, что можно увеличить количество короткоживущих электронов с высокой энергией, называемых «горячими носителями», которые появляются, когда свет падает на металл, а в 2016 году был представлен «антенный реактор», в котором они используются.

Медный и рутениевый антенные реакторы для производства водорода из аммиака, стали предметом научного доклада в 2018 году. Катализатор синтез-газа использует аналогичную конструкцию. В каждом из них медная сфера диаметром около 5-10 нанометров усеяна островками рутения. Для аммиачных катализаторов каждый островок содержит несколько десятков атомов рутения, но для катализатора сухого риформинга количество этих атомов пришлось сократить до одного.

«Для этой реакции важна высока эффективность, но стабильность еще важнее». «Если сказать человеку из промышленности, что найден действительно эффективный катализатор, то он обязательно спросит: «Как долго он может поддерживать реакцию?» Этот вопрос важен для производителей потому, что большинство катализаторов газификации склонны к «коксованию», накоплению поверхностного углерода, что в конечном итоге делает их бесполезными.

Выделив активные участки рутения, где углерод отделяется от водорода, была уменьшена вероятность реакции атомов углерода друг с другом, с образованием кокса, и увеличена вероятность их реакции с кислородом, с образованием оксида углерода. «Но одноатомных островов недостаточно». «Для стабильности необходимы как отдельные атомы, так и горячие электроны».

Экспериментальные и теоретические исследования указывают на горячие носители, отводящие водород от поверхности реактора. «Когда атомы водорода быстро покидают поверхность, они с большей вероятностью образуют молекулярный водород». «Это уменьшает вероятность реакции между водородом и кислородом и оставляет кислород реагировать с углеродом».

Это исследование может проложить путь «для устойчивых, управляемых светом, низкотемпературных реакций риформинга метана для производства водорода, когда это необходимо». «Помимо синтез-газа, одноатомная конструкция антенного реактора может быть полезна при разработке энергоэффективных катализаторов и для других применений».

Источник: Rice University News & Media