В ФИЦ «Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН» разработали способ получения водорода из муравьиной кислоты с помощью модифицированных азотом углеродных наноматериалов. Он позволил рекордно повысить скорость реакции в пять раз и добиться практически полной селективности по водороду — 99,4 %.

Специалисты ИК СО РАН разрабатывают различные способы получения азотсодержащих углеродных наноматериалов, исследуют их физико-химические и каталитические свойства. Учёные успешно синтезируют азотсодержащие углеродные нановолокна со структурами «рыбья кость» или «колода карт», а также бамбукоподобные нанотрубки.

Специалисты в своей работе используют два основных подхода к синтезу азотсодержащих углеродных наноматериалов. В первом азот встраивается в углеродную структуру непосредственно в ходе роста самого материала и равномерно распределяется по всему объёму. Во втором случае гетероатом с помощью постобработки встраивается преимущественно во внешние графеновые слои исходного углеродного материала.

Азотсодержащие углеродные наноматериалы используют в качестве эффективных носителей для получения стабильных нанесённых катализаторов с мономолекулярной или атомарной дисперсностью. Высокодисперсные металлические катализаторы проявляют высокую активность в различных важных процессах, в том числе в разложении муравьиной кислоты. Эта реакция важна для эффективного получения водорода, в частности, для топливных элементов. Учёным удалось достичь рекордного роста скорости реакции в газофазной среде при температурах ниже 150 °С.

«Благодаря методу постобработки мы можем значительно увеличить плотность азотных центров во внешних графеновых слоях углеродных нанотрубок. На этих центрах эффективно закрепляется высокодисперсный палладий в виде наночастиц размером 1 нм и множества отдельных атомов. Кроме того, в ходе постобработки формируются дополнительные поверхностные аминные группы, которые важны для протекания реакции. За счёт этого метода мы смогли увеличить скорость реакции в пять раз (до ~ 0.5 с^-1 при 125 °С) — это самое высокое значение скорости газофазной реакции для такого типа катализаторов. Также мы достигли увеличения селективности по водороду до 99,4 %. Да, это не 100 %, к которым все стремятся, но в случае использования обычных углеродных наноматериалов она не превышает 98 %», — рассказала автор исследования, ведущий научный сотрудник отдела гетерогенного катализа Института катализа СО РАН д.х.н. Ольга Подъячева.

Полученные результаты опубликованы в профильном журнале Diamond and Related Materials и вынесены на обложку журнала.

Сейчас учёные исследуют разложение муравьиной кислоты в жидкой среде при комнатной температуре. Использование этой кислоты, синтезированной из возобновляемых источников, и проведение реакции при комнатной температуре делает процесс получения водорода более энергоэффективным и экономически целесообразным. Получаемый водород без примесей монооксида углерода может в перспективе применяться в процессах, которые разрабатывают в Центре компетенций НТИ «Водород как основа низкоуглеродной экономики».

Работы выполнены при поддержке Российского научного фонда: проект 17-73-30032 «Новые каталитические процессы глубокой переработки углеводородного сырья и биомассы для решения задач экологически чистой и ресурсосберегающей энергетики», руководитель — председатель Сибирского отделена РАН, академик РАН Валентин Пармон.

Источник: ИК СО РАН.