Розплави металів розклали метан на вуглець і водень без побічних продуктів

Американські хіміки-технологи розробили каталітичну колону, в якій розплав металів перетворює метан на водень і вуглець без утворення побічних продуктів. За рахунок продування бульбашок метану через розплав температурою близько 1000 градусів ефективність конверсії метану в таких колонах досягає 95 відсотків. За словами авторів роботи, опублікованої в, найбільш ефективним каталізатором виявився сплав, який містить 27 відсотків нікелю і 73 відсотки вісмута.

Основною проблемою отримання чистого водню за допомогою парової конверсії метану є утворення в ході реакції вуглекислого газу. Коли цей процес тільки розроблявся, утворення вуглекислого газу в якості одного з продуктів реакції не вважалося проблемою, проте зараз через постійне зростання концентрації CO₂ в атмосфері в промислових процесах по можливості намагаються уникати його утворення навіть в якості побічного продукту. У разі конверсії метану це можна зробити, наприклад, використовуючи реакцію піролізу метану з утворенням простих речовин: вуглецю і водню. Ускладнюється перехід до нової технології тим, що вуглець осаджується на поверхню твердих каталізаторів реакції, що призводить до їх пасивації і зупинки процесу.

Для вирішення цієї проблеми група хіміків-технологів з Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі під керівництвом Еріка Макфарланда (Eric W. McFarland) запропонувала схему каталітичної колони висотою трохи більше одного метра, в яку каталізатор поміщається у вигляді розплаву при температурі близько 1000 градусів. Через цей розплав продуваються бульбашки метану, які поступово перетворюються на водень і вуглець. Вугілля, що утворюється, спливає на поверхню розплаву, де може бути зібрано і видалено з реакційної зони.

В якості каталізаторів такої реакції вчені використовували розплави металів і їх сплавів, в яких активним компонентом є перехідні і шляхетні метали. У своїй роботі хіміки порівняли активність розплавів різних каталізаторів піролізу метану, і найбільш ефективним каталізатором у такій каталітичній системі виявився сплав, що містить 27 відсотків нікелю і 73 відсотки вісмуту. Активним компонентом у такій системі є нікель, а вісмут виконує роль своєрідного «розчинника». За допомогою такого розплаву вдалося отримувати 17 наномоль водню в секунду з кожного квадратного сантиметра поверхні каталізатора. Це приблизно в сто разів більше, ніж для розплаву чистого вісмуту, в 50 разів ефективніше розплаву свинцю, і в 2 - 5 разів швидше, ніж при використанні інших сплавів, що містять платину і нікель.

Для пояснення активності каталізатора автори роботи провели комп'ютерне моделювання розплаву металу, через який рухаються молекули метану. Виявилося, що атоми активного компонента каталізатора (наприклад, нікелю або платини) знаходяться в матеріалі у вигляді негативно заряджених іонів, ефективний заряд яких і визначає каталітичну активність матеріалу. А він у свою чергу сильно залежить від властивостей металу-розчинника, зокрема, його температури плавлення.

За допомогою такої каталітичної системи вдалося провести конверсію метану з ефективністю близько 95 відсотків, яка не знижується і при підвищенні тиску газу до приблизно двох атмосфер. Тому вже найближчим часом такі системи можна буде використовувати для дешевого та екологічно нешкідливого отримання чистого водню з метану.

У разі, якщо вуглець є побічним продуктом реакції, а не основним, то його облозі на поверхню каталізатора можна запобігти за допомогою невеликої зміни хімічного складу каталізатора. Наприклад, якщо додати в нікелевий каталізатор олово, то воно вбудовується в ті позиції, куди міг би осаджуватися вуглець і таким чином сильно уповільнює можливу пасивацію.