Новый катализатор позволяет превращать отходящее тепло в водородное топливо

Исследователи Университета Бирмингема разработали новый низкотемпературный подход к производству водорода, который может сделать это чистое топливо дешевле и практичнее в получении. Технология применима как на крупных централизованных установках, так и в небольших локальных системах, использующих отходящее тепло крупных промышленных производств.

Водород — самый распространённый элемент во Вселенной, и его широко рассматривают как важный источник чистой энергии. При использовании в качестве топлива он даёт только воду и тепло, а не углекислый газ и другие загрязнители, связанные с ископаемым топливом. Водород также может питать топливные элементы, вырабатывающие электричество. Несмотря на эти преимущества, около 95% мирового производства водорода сегодня по-прежнему зависит от ископаемого топлива.

Один из перспективных способов получения водорода — термохимическое расщепление воды, процесс, в котором катализатор разделяет воду на водород и кислород. Существующие термохимические системы требуют чрезвычайно высоких температур: расщепление воды обычно протекает при 700–1000 °C, а стадия регенерации катализатора нередко требует 1300–1500 °C, прежде чем можно начать новый производственный цикл.

Группа под руководством профессора Юлунга Дина из Школы химической инженерии Университета Бирмингема показала, что эти температуры можно существенно снизить с помощью перовскитного катализатора. Согласно результатам, опубликованным в International Journal of Hydrogen Energy, новый катализатор обеспечил значительные выходы водорода при температурах от 150 до 500 °C. Регенерация катализатора проходила при 700–1000 °C — примерно на 500 °C ниже, чем в действующих подходах.

«Более низкая общая температура процесса может позволить производить водород вблизи объектов возобновляемой энергетики, а базовые отрасли промышленности — сталелитейная, цементная, стекольная и химическая — располагают избытком отходящего тепла, которое можно использовать как источник нагрева для низкотемпературного производства водорода, — говорит профессор Дин. — Если водород используется локально, это снимает препятствия, связанные с хранением и транспортировкой, и позволяет внедрять водородное топливо без дорогостоящей инфраструктуры».

Исследователи также провели предварительный экономический анализ. Его результаты показывают, что расщепление воды на новом перовскитном катализаторе может давать водород дешевле, чем зелёный водород (получаемый из воды электролизом) и голубой водород (получаемый из метана с улавливанием и хранением углерода). Экономическое преимущество оказалось особенно заметным в регионах с относительно дешёвой возобновляемой электроэнергией, в том числе в таких странах, как Австралия.

Проект выполнен в сотрудничестве с Пекинским университетом науки и технологий (USTB). Университет Бирмингема работает над коммерциализацией технологии в Великобритании и Европе: University of Birmingham Enterprise подала патентную заявку на использование катализаторов BNCF для низкотемпературного расщепления воды и ищет партнёров для дальнейшего развития технологии.

Хотя водород — самый распространённый элемент во Вселенной, в чистом виде на Земле он встречается редко: обычно он связан с другими элементами, чаще всего в воде и углеводородном топливе — природном газе, угле и нефти. Для получения водорода эти соединения нужно разрушать. Сегодня доминирующий метод производства — паровой риформинг, выделяющий водород из метана; на него приходится почти половина мирового производства водорода. Однако этот процесс генерирует CO2, что ограничивает его экологические преимущества, если не добавлять системы улавливания и хранения углерода.

Электролиз предлагает более чистую альтернативу, поскольку использует электричество для расщепления воды на водород и кислород. Тем не менее он остаётся дороже производства из метана и в настоящее время покрывает лишь около 4% мирового спроса на H2. Другие развивающиеся подходы используют реакции, запускаемые светом, для получения водорода из воды. Хотя эти фотонные технологии перспективны, они находятся на ранней стадии и сталкиваются с проблемами эффективности, масштабируемости и стоимости.

Перовскиты — материалы с решёточной структурой, способные поглощать кислород в свой каркас и помогать разрушать кислородсодержащие соединения. Бирмингемская группа сосредоточилась на конкретном семействе — перовскитах BNCF, состоящих из бария, ниобия, кальция и железа. Эти материалы относительно доступны, не требуют сложных процессов изготовления и не содержат токсичных компонентов.

Исследователи обнаружили, что перовскиты BNCF способны поглощать кислород при гораздо более низких температурах, чем считалось ранее. Среди протестированных материалов наилучшие показатели продемонстрировал состав, обозначенный BNCF100. Исследование показало, что BNCF100 регенерируется при более низких температурах, чем существующие катализаторы расщепления воды, и продолжает производить водород в течение 10 производственных циклов. Рентгенодифракционный анализ выявил лишь незначительные структурные изменения материала в ходе испытаний, что указывает на высокую стабильность.

«Наше исследование выявило катализатор, способный давать значительные выходы водорода при относительно низких температурах, а предварительное технико-экономическое исследование показывает, что он экономически эффективен по сравнению с устоявшимися голубым и зелёным путями производства водорода», — отметил профессор Дин.