В ТПУ создали катализатор для получения синтез-газа из парниковых газов

Катализатор для переработки парниковых газов (углекислого газа и метана) в синтез-газ — ценное для химической промышленности сырье, синтезировали совместно с коллегами ученые Томского политехнического университета (ТПУ), 18 сентября сообщила пресс-служба вуза.

Комбинированный материал нового катализатора, созданный на основе никеля и карбида вольфрама, продемонстрировал в течение длительного времени более высокую активность и устойчивость в реакции углекислотной конверсии метана (УКМ) по сравнению с существующими аналогами, обеспечивая высокий выход продукта реакции. Технологию УКМ используют для переработки парниковых газов в синтез-газ, из которого затем получают метанол, диметиловый эфир, жидкие углеводороды.

Участник исследования, младший научный сотрудник лаборатории «Химическая инженерия и молекулярный дизайн» ТПУ Светлана Кузнецова пояснила:

«Технология углекислой конверсии метана позволяет одновременно решать две задачи: получать ценное сырье и утилизировать углекислый газ и метан. В то же время главной проблемой развития и внедрения технологии УКМ является отсутствие эффективного и стабильного при высоких температурах реакции катализатора».

В настоящее время самую высокую каталитическую активность проявляют благородные металлы платиновой группы, которые также меньше подвержены коксованию. Это позволяет обеспечивать необходимую стабильность в ходе реакции.

Отметим, коксованием катализаторов называется процесс, при котором поверхность катализатора покрывается смолисто-коксовыми отложениями, снижающими его активность. Коксование катализаторов характерно для высокотемпературных реакций с участием углеводородного сырья, таких как каталитический крекинг, риформинг и др.

Однако высокая стоимость металлов платиновой группы и их ограниченная доступность затрудняют использование таких катализаторов в промышленном производстве. Отсюда возникает задача создания альтернативных материалов, способных их эффективно заменить.

«Мы синтезировали катализатор, который сочетает в себе высокоактивный и недорогой никель со стабильным соединением карбида вольфрама. Синергетический эффект компонентов позволил получить материал с более высокой активностью и устойчивостью к окислению и образованию углеродистых отложений в процессе УКМ, чем традиционные никель- и кобольтосодержащие катализаторы на оксидных носителях и индивидуальные карбиды вольфрама и молибдена», — рассказала Светлана Кузнецова.

Комплексное исследование характеристик полученного материала, проведенное с помощью рентгеновской дифракции, температурно-программируемого восстановления водородом и рамановской спектроскопии, позволило оптимизировать его состав.

В результате каталитические испытания материала, проведенные при 800 °C и атмосферном давлении, показали, что при содержании в нем никеля на уровне 20 массовых процентов обеспечивается оптимальный баланс активности и стабильности катализатора.

«Впервые удалось достичь эффективного подавления коксования до примерно 1% за 200 часов непрерывного процесса УКМ путем одновременной оптимизации состава катализатора и состава подаваемой газовой смеси», — отметила Светлана Кузнецова.

Результаты исследования нового катализатора были представлены в статье «Сухой риформинг метана на катализаторах Ni/WC: влияние содержания Ni и соотношения СН4:CO₂» (Dry Reforming of Methane over Ni/WC Catalysts: Effect of Ni Content and CH4:CO₂ Ratio), опубликованной в журнале Materials (Q2, IF: 3.1).

В планах ученых дальнейшая оптимизация катализатора. Они намерены добиться того, чтобы в получаемом с его помощью синтез-газе соотношение водорода и монооксида углерода было примерно один к одному. В этом случае такой газ можно будет напрямую использовать для синтеза диметилового эфира.

В исследованиях, кроме ученых Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий и Инженерной школы энергетики ТПУ, участие приняли специалисты Севастопольского государственного университета и Нового университета Лиссабона.