Три-риформинг углеводородных топлив: дизайн катализатора и физико-химические основы энергоэффективного способа получения синтез-газа

Проект посвящен направленному дизайну катализаторов три- риформинга углеводородных топлив и разработке физико- химических основ энергоэффективного способа получения синтез-газа из жидких (бензин) и газообразных (природный газ, СУГ) углеводородных топлив для питания топливных элементов. В настоящее время топливные элементы (ТЭ), способные с высоким КПД преобразовывать энергию химических связей в электрическую, в том числе для компактных и мобильных систем, и технологии водородной энергетики являются одной из наиболее динамично развивающихся отраслей энергетической промышленности. Жидкие (бензин) или легко сжижаемые углеводороды (СУГ), являющиеся одними из наиболее удобных источников энергии с логистической точки зрения, не могут напрямую окисляться в анодном пространстве ТЭ. Для предотвращения нежелательных реакций образования угля топливо предварительно следует конвертировать в водородсодержащий газ. Таким образом, создание компактного энергоэффективного конвертера углеводородных топлив в водородсодержащий газ остается в существенной степени актуальной задачей современной энергетики. Новизна работы заключается в исследовании возможности создания циклической системы «риформер-ТЭ», в которой конверсия С2+-углеводородных топлив происходит в процессе три-риформинга. Предлагаемый подход позволит использовать анодные газы ТЭ в качестве окислителя для углеводородных топлив, снизить количество используемой воды в системе, а также “обойти” проблему разогрева фронтальной зоны катализатора при парциальном окислении углеводородов С3-С10. Такая организация процесса предоставляет возможность регулировать баланс между экзо- и эндотермическими реакциями за счет изменения соотношений О2:Н2О:СО2 в реакционной смеси и, тем самым, добиться высокой энергетической эффективности, утилизируя анодные газы и тепло, выделяемые ТЭ. Таким образом, для проведения процесса три-риформинга необходимо создание селективного, высокопроизводительного и устойчивого к образованию угля на поверхности катализатора. На первом этапе проекта разработан метод направленного синтеза композитных катализаторов M/Ce0.75Zr0.25O2- Al2O3/FeCrAl (M = Ni, Rh, Ru, Pt) типа “наночастицы металлов / наночастицы активного оксида / структурный оксидный компонент / структурированная металлическая подложка”. Структурированная металлическая подложка из фехралевого сплава обеспечивает быстрый отвод/подвод теплоты для экзо-/эндотермических реакций, обладает хорошими гидродинамическими характеристиками, позволяет изготавливать изделия различной геометрической формы и облегчает масштабирование. Структурный оксидный компонент (оксид алюминия) обеспечивает термическую устойчивость, высокую удельную поверхность, увеличивает механическую прочность для наносимого каталитического покрытия, выполняя защитную функцию для металлической подложки. Активный оксидный компонент (смешанный оксид церия-циркония со структурой флюорита) участвует в активации молекул воды и кислорода и повышает устойчивость к зауглероживанию за счет высокой кислородной подвижности. С другой стороны, указанные оксиды способны поддерживать высокую дисперсность активного компонента за счет сильного взаимодействия металл-носитель. Наночастицы металлов – Pt, Rh, Ru, Ni (1-2 нм) –, в свою очередь, участвуют в активации молекул углеводородов. Показаны высокие каталитические характеристики полученных систем в паровой и автотермической конверсии метана и его гомологов. Опубликована статья “Rh- and Rh–Ni–MgO-based structured catalysts for on-board syngas production via gasoline processing” в журнале International Journal of Hydrogen Energy (Q1, IF = 5.816).