Новый катализатор повышает эффективность сжигания метана в 30 раз

Сотрудники Пенсильванского университета совместно с коллегами из Италии и Испании разработали вещество, которое усиливает процесс сгорания метана в 30 раз лучше используемых сейчас катализаторов.

Согласно заявлению ученых, создание нового материала позволит более эффективно использовать энергию, высвобождаемую при сгорании метана, и сократить объемы вредных выбросов у автомобилей, работающих на природном газе. Новый катализатор также позволит создать более экологичный и дешевый способ получения энергии за счет каталитического горения в газотурбинных установках.

«Довольно трудно найти материал, который будет достаточно активен и при этом устойчив, чтобы выстоять в агрессивной среде, возникающей при сжигании метана, - отмечает Рэймонд Горте, профессор факультета химических и биомолекулярных технологий в Пенсильванском университете. – Разработанные нами материалы могут получить применение во многих сферах».

Используемые в данный момент катализаторы не обеспечивают полного сгорания метана, остатки которого выбрасываются в атмосферу. «Если ваш двигатель работает на природном газе, метан составит существенную часть автомобильных выхлопов», - заявляет Горте.

Кроме того, традиционные катализаторы, как правило, требуют высоких температур в 600-700°Cдля протекания реакции. Тем не менее, сами катализаторы часто теряют свою эффективность или деактивируются при росте температуры, вызванном сгоранием метана.

Еще больший вред окружающей среде может быть нанесен, когда метан используется для производства энергии в газотурбинных установках. В таком случае газ обычно сжигается при температуре выше 800°C. Когда температура достигает 1300°C, в ходе реакции могут образовываться вредные промежуточные продукты – включая оксиды азота и серы, а также моноксид углерода.

Традиционные катализаторы, применяемые для сжигания метана, состоят из металлических наночастиц (в частности, палладия), осажденных на оксидах – например, оксиде церия (CeO₂).

Модифицируя эту технологию, ученые использовали метод, в основе которого лежит самоорганизация наночастиц. Сначала они взяли частицы палладия и окружили их пористой защитной оболочкой из оксида церия, создав таким образом совокупность сферических структур с металлическими сердцевинами.

Поскольку малые частицы такого типа имеют тенденцию образовывать кластеры при нагревании и снижать активность катализатора, ученые нанесли их на водоотталкивающую поверхность из оксида алюминия, чтобы обеспечить их равномерное распределение.

Испытывая активность материала, исследователи обнаружили, что разработанная наноструктура имеет производительность в 30 раз выше, чем у лучших существующих катализаторов для сжигания метана, при одинаковом расходе металла. Полученное вещество полностью сожгло метан при 400°C.

Исследователи планируют и в дальнейшем изучать структурные особенности нового катализатора, чтобы лучше понять, почему он так эффективен; они будут использовать аналогичные методы создания новых образцов материала для проведения испытаний.

Отчет об исследовании, опубликованный в журнале «Science», стал результатом работы Маттео Карньелло, доктора наук  факультета химии Пенсильванского университета; Паоло Форнасьеро и Тициано Монтини из итальянского университета в Триесте и Национального исследовательского совета; Хосе Кальвино, Хуана Хосе Дельгадо и Хуана Карлоса Эрнандес Гарридо из университета в Кадисе (Испания).

TheEngineer, перевод с английского – Наталья Пристром

http://www.theengineer.co.uk/sectors/energy-and-environment/news/catalyst-improves-methane-combustion-performance/1013507.article