Олово і церій збільшили ефективність каталізатора для переробки парникових газів

Хіміки вдосконалили каталізатор для отримання палива з вуглекислого газу і метану, як мінімум в два рази продовживши час його ефективної роботи. Як повідомляють автори дослідження в статті, опублікованій в, такого ефекту їм вдалося домогтися за рахунок додавання в каталізатор олова і оксиду церія, що призвело до придушення осадження вуглецю на поверхню каталізатора. У майбутньому такі матеріали можуть застосовуватися для переробки атмосферних парникових газів.

Збільшення вмісту парникових газів в атмосфері є однією з причин глобальних кліматичних змін на Землі. В якості одного із способів зменшити рівень парникових газів вчені пропонують використовувати їх хімічну переробку. Наприклад, за допомогою фотокаталізаторів вуглекислий газ можна перетворювати на вуглеводневе паливо. Одним з альтернативних способів є взаємодія захопленого з атмосфери вуглекислого газу з метаном - іншим парниковим газом, що сильно впливає на клімат. При їх реакції відбувається конпропорціонування вуглецю з утворенням чадного газу. Проблема такого процесу полягає в тому, що при побічних реакціях утворюється велика кількість вуглецю, який осаджується на поверхню каталізатора і дуже швидко знижує його ефективність.

Колектив хіміків з Великобританії та Іспанії під керівництвом Томаса Рейни (Tomas R. Reina) з Університету Суррея запропонував спосіб удосконалення каталізаторів реакції вуглекислого газу з метаном, який дозволяє зменшити швидкість утворення вуглецю в процесі побічних реакцій. У своїй роботі вчені запропонували модифікувати хімічний склад каталізатора, в якому нікель нанесений на матрицю з оксиду алюмінію. Для підвищення його ефективності автори роботи змінювали як склад самого матеріалу каталізатора, так і склад матриці.

Модифікований каталізатор вчені перевірили на реакції сухого риформінгу метану, яка проходить без участі додаткових реагентів (води або кисню) і призводить до отримання синтез-газу - суміші водню і чадного газу. Спочатку автори дослідження перевірили, як буде змінюватися швидкість реакції при зміні складу самого каталізатора, додавши в нікель невелику кількість олова. Виявилося, що додавання олова дозволять уникнути різкого падіння ефективності каталізатора, характерного для немодифікованого складу вже через 10 годин його роботи, яке пов'язане з обложенням на його поверхню вуглецю. Такий ефект вчені пояснюють тим, що в кристалічній структурі каталізатора атоми олова займають ті позиції, які потенційно міг би зайняти вуглець.

Для подальшого збільшення ефективності вчені запропонували змінити склад не тільки самого каталізатора, але і матриці, на яку він наноситься. До оксиду алюмінію хіміки вирішили додати оксид церію, який збільшує частку кисню поблизу поверхні каталізатора і зміни його кислотно-основних властивостей. В результаті така добавка дозволила ще збільшити швидкість реакції, так що ефективність конверсії метану через 20 годин роботи каталізатора збільшилася на 5-10 відсотків щодо каталізатора з немодифікованою матрицею і приблизно на 20 відсотків відносно початкового рівня.

За твердженням вчених, такий каталізатор, який без помітного зниження ефективності дозволяє перетворювати вуглекислий газ і метан на синтез-газ, в майбутньому можна буде використовувати для боротьби зі збільшенням кількості викидів вуглекислого газу в атмосферу.

Одним з альтернативних способів збільшення ефективності каталізаторів для конверсії парникових газів є модифікація зонної структури каталізатора за рахунок зміни його морфології. Завдяки такому підходу використання нанокристалічних каталізаторів можна використовувати для збільшення ефективності до 99 відсотків.