Сотрудники ФИЦ «Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН» создают катализаторы на основе многослойных углеродных нанотрубок для получения водородного топлива из муравьиной кислоты. Результаты работы опубликованы в International Journal of Hydrogen Energy.

На сегодняшний день молекулярный водород признан одним из наиболее перспективных альтернативных источников энергии, безвредных для окружающей среды. Проблема в том, что в свободном состоянии водород — самый легкий и один из самых низкокипящих газов. Он взрыво- и пожароопасен, и поэтому его сложно хранить и транспортировать. По всему миру ведется поиск органических веществ, которые позволяли бы это делать. Одним из наиболее перспективных материалов является муравьиная кислота. Она обеспечивает высокое содержание водорода (4,4 мас. %, то есть из одного грамма муравьиной кислоты можно получить 0,044 г водорода), химическую и термодинамическую стабильность, а также нетоксична. Кроме того, муравьиная кислота получается путем переработки биомассы, то есть является дешевым и постоянно восполняемым ресурсом.

Разложение муравьиной кислоты может протекать по двум путям — дегидрирование и дегидратация. Предпочтительным является первый, поскольку в процессе дегидратации выделяется угарный газ, выступающий ядом для катализаторов топливных элементов. В результате дегидрирования же образуется смесь газовых продуктов, состоящая из водорода и углекислого газа.

«Крайне актуальной задачей является разработка селективных гетерогенных катализаторов дегидрирования муравьиной кислоты. В настоящее время широко используются катализаторы на основе благородных металлов, такие как серебро, золото, палладий, платина, рутений. Однако эти соединения дороги и труднодоступны, поэтому современные исследования направлены на поиск альтернатив, не содержащих дорогостоящих компонентов. Так, для этой цели прекрасно подходят катализаторы на основе переходных металлов и углеродных материалов», — рассказывает старший научный сотрудник ИК СО РАН кандидат химических наук Мария Александровна Казакова.

В качестве катализаторов дегидрирования муравьиной кислоты ученые ИК СО РАН предложили многослойные углеродные нанотрубки (МУНТ), модифицированные наноразмерными частицами кобальта. От других углеродных носителей МУНТ отличаются несколькими преимуществами. Во-первых, они не имеют кислотно-основных центров, которые оказывают влияние на формирование активного компонента и ход реакции, то есть могут направить ее по нежелательному пути. Кроме того, МУНТ обладают большой площадью поверхности и развитой пористой структурой (последняя может быть представлена как внутренними каналами, так и вторичной пористостью, образующейся за счет переплетения отдельных нанотрубок). Поверхностные дефекты трубок тоже могут предоставлять дополнительные места для формирования металлических частиц. «Еще одним преимуществом углеродных нанотрубок является то, что их поверхность и структура могут быть модифицированы за счет прививки различных гетероатомов и функциональных групп. В основном это кислород-, азот-, серосодержащие группы. Это также способствует благоприятному закреплению металлических частиц в структуре нанотрубок, что очень важно для получения активных и селективных катализаторов дегидрирования», — отмечает исследовательница.

МУНТ для экспериментов выращиваются здесь же, в ИК СО РАН. В институте создана установка, которая позволяет получать до пяти килограммов нанотрубок в день, а также имеются все условия для улучшения их качества. В своей работе ученые проверяли, какое влияние оказывают структурные характеристики (средний диаметр, количество стенок, дефектность) и функциональный состав углеродных нанотрубок на закрепление наночастиц кобальта и каталитические свойства полученных образцов в реакции дегидрирования муравьиной кислоты.

«Наилучшей каталитической активностью характеризуются системы на окисленных углеродных нанотрубках со средним диаметром 9 нанометров. К возрастанию каталитической активности привело также увеличение содержания кобальта с 3 до 15 мас. %, что связано с формированием около 80% частиц Со на внешней поверхности МУНТ со средним диаметром 20 нм. Таким образом, предпочтительно содержание 15% наночастиц кобальта и их размещение непосредственно на внешней поверхности трубок», — рассказывает Мария Казакова.

Варьируя различные параметры МУНТ, ученые надеются получить высокоактивные и селективные катализаторы дегидрирования муравьиной кислоты, не содержащие дорогостоящих компонентов. «Есть большое желание осуществить поиск различных систем на основе неблагородных металлов и возможных синергетических эффектов от объединения нескольких компонентов в одном составе. И также исследовать влияние других функциональных обработок углеродных нанотрубок на закрепление металлических частиц на каталитические свойства полученных систем. Пока это больше фундаментальная работа, но не исключено, что через несколько лет она приобретет прикладной характер», — говорит исследовательница.