Сотрудники ФИЦ «Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН» разработали и запатентовали технологию приготовления структурированных бифункциональных катализаторов, которые могут применяться в топливных процессорах и электрохимических генераторах. Новые композитные катализаторы уже используются совместно с топливными элементами, в частности в мобильных и модульных энергоустановках, которые производит научно-исследовательский центр «Топаз».

В состав катализатора входит металлическая подложка, а в качестве активного компонента — родий или платина на оксидах церия и циркония, нанесённые на оксид алюминия, что позволяет обеспечить высокую теплопроводность, увеличить эффективность процесса конверсии, а также устойчивость к зауглероживанию. Катализатор совмещает в себе несколько функций, которые при одновременной работе составляют синергетический эффект. Разные части бифункционального катализатора отвечают за определённые заданные функции, в числе которых ускорение целевой реакции, уменьшение образования побочных продуктов в процессе реакции.

«По мере проведения исследований мы больше узнаём о протекании различных каталитических процессов. Соответственно, катализаторы приобретают более сложную структуру, чтобы отвечать современным требованиям и иметь улучшенные показатели производительности, конверсии, селективности, стабильности. Одни из новейших систем, которые мы разработали, — структурированные катализаторы. Мы научились выращивать оксид алюминия на металлической подложке. С одной стороны, он служит защитным покрытием подложки, а с другой — благодаря своей столбчатой структуре позволяет сделать оксидное покрытие устойчивым при воздействии высоких температур. Далее на конструкцию наносится активный компонент — благородные металлы: родий, платина. Помимо основного оксидного покрытия применяется дополнительное, например оксиды церия-циркония, несущие свою функцию в зависимости от типа реакции, они улучшают подвижность кислорода, что, в свою очередь, приводит к уменьшению отложений углерода, которые негативно сказываются на работе катализатора. Метод синтеза даёт возможность наносить очень маленькие частицы металла, это позволяет ему лучше связываться с подложкой, что исключает побочные реакции. В результате исследований удалось создать широкий класс структурированных бифункциональных катализаторов, использующихся для конверсии природного газа, пропан-бутановых смесей, жидких углеводородов в синтез-газ (водородсодержащую газовую смесь), являющийся топливом для топливных элементов, вырабатывающих электрическую энергию», — рассказал руководитель Центра НТИ «Водород как основа низкоуглеродной экономики», заведующий отделом гетерогенного катализа ФИЦ ИК СО РАН доктор химических наук Павел Валерьевич Снытников.

Совместно с партнёрами, Институтом химии твёрдого тела и механохимии СО РАН и ООО «НИЦ „Топаз“», сотрудники ФИЦ ИК СО РАН применяют новые технологии приготовления структурированных катализаторов для создания энергоустановок на основе микротрубчатых твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ). По задумке разработчиков в скором времени будут появляться энергоустановки для применения в разных климатических условиях и с разной мощностью — от нескольких сотен ватт до устройств киловаттного класса. НИЦ «Топаз» наладил серийный выпуск микротрубчатых ТОТЭ, а сотрудники ФИЦ ИК СО РАН для этого проекта разработали структурированные катализаторы для получения синтез-газа, а также для дожигания остаточных компонентов выхлопных газов. Структурированные катализаторы в таких установках позволяют конвертировать и получать в месте работы энергоустановки водородсодержащий газ, который используется как топливо для микротрубчатых ТОТЭ, а далее химическая энергия топлива преобразуется в электричество.

«Сегодня ООО НИЦ „Топаз“ разрабатывает и выводит на рынок несколько моделей энергоустановок, среди которых встраиваемые и мобильные энергоустановки. Они работают на пропан-бутановой смеси и природном газе в качестве топлива. Важнейшим компонентом, обеспечивающим эффективную работу энергоустановки, можно назвать структурированные катализаторы, которые обеспечивают комплексное протекание химических процессов. Такие системы станут востребованы благодаря своим характеристикам, в частности они могут устанавливаться в удалённых труднодоступных местах, где отсутствует электричество, а также не требуют постоянного обслуживания — у них длительные межсервисные интервалы. Высокая автономность работы и удалённое управление позволяют использовать эти энергоустановки в условиях Севера. По проведённым оценкам сотрудников ООО НИЦ „Топаз“, в определённых потребительских нишах устройства будут более выгодными в долгосрочной перспективе, в сравнении с традиционными электрогенераторами», — отметил Павел Снытников.

По мнению исследователей, бифункциональные катализаторы из-за своего комплексного действия способны увеличить эффективность протекания химических процессов. Сегодня сотрудники ФИЦ ИК СО РАН помимо оптимизации приготовления структурированных катализаторов планируют расширение их использования на производстве различных энергоустановок. «В лабораториях ФИЦ ИК СО РАН проводятся разные каталитические эксперименты для исследовательских задач, однако при создании технологии приготовления катализаторов мы ориентируемся в большей степени на массового потребителя, совершенствуем способы получения катализаторов, чтоб исключить чрезвычайно сложные методы и снизить себестоимость готового изделия. Это позволит расширить применение продукции нашего института в области энергоснабжения», — добавил учёный.

Текст: Кирилл Сергеевич.
Источник: «Наука в Сибири».