Водородная энергетика. Каталитические материалы и технологии получения, хранения, транспортировки и применения водорода и водородсодержащих смесей

В ходе выполения работы в 2021-2023 гг. были приготовлены катализаторы и проведены экспериментальные исследования их каталитических свойств и физико-химических характеристик. Создана математическая модель динамики наночастиц с их сепарацией в газовых смесях, проведена оптимизация сепарационной части реактора на основе численных расчетов динамики наночастиц и нагрева газопылевой среды. Выполнен лазерный синтез нанодисперсных порошков оксидов магния с одиночными атомами Fe на поверхности наночастиц, проведено их охарактеризование. Проведена оптимизация процедуры синтеза материалов протонпроводящих мем-бран с высокой ионной (протонной, кислород-ионной) и смешанной ионной-электронной проводимостью. Выполено изучение особенностей кислород-ионного транспорта полученных материалов со смешанной ионной-электронной проводимостью. Проведено изготовление и тестирование пилотных образцов твердооксидных топливных элементов и электролизеров, асимметричных нанесенных кислород- и протонпроводящих мембран. Проведен синтез фотокатализаторов получения водорода на основе графитоподобного нитрида углерода g-C3N4. Изучены особенности применения получаемого водорода для питания топливных элементов, выполнена оценка эффективности электрохимических генераторов и определены возможные целевые ниши для их использования. Проведен синтез и выполнено исследование активного компонента катализаторов для процессов получения водорода из аммиака и метана, проведены детальные исследования разработанных катализаторов комплексом физико-химических методов. Изучена стабильность каталитических систем в процессах получения водорода из аммиака и метана и проведена оптимизация гидродинамических режимов протекания процессов получения водорода из аммиака и метана с целью предотвращения их дезактивации. Разработаны катализаторы и функциональные материалы с улучшенными свойствами и структурой для получения водородсодержащего газа для использования в качестве топлива и создания восстановительных атмосфер. Изучена морфология и природа активных компонентов катализаторов. Изучены способы модифицирования материалов и катализаторов. Предложены механизмы протекания реакций каталитической конверсии углеводородов и оксигенатов в водородсодержащий газ. Проведено исследование модельных реакций в режиме in situ для установления промежуточных интермедиатов. Созданы активированные галламами материалы с заданными характеристиками на основе конструкционных алюминиевых сплавов. Приготовлены катализаторы конверсии углеводородных топлив в синтез-газ для создания смесевых модифицированых газомоторных топлив в соответствии с возможными практическими приложениями в энергогенерирующих системах. Выполнен анализ полученных экспериментальных данных по наблюдаемой активности, селективности и устойчивости к коксообразованию структурированных катализаторов и выявлена связь этих параметров с режимами работы каталитического блока. Построена математическая модель с учетом транспортных и кинетических факторов и теории многокомпонентной диффузии Проведена разработка технологических схем на основе математических моделей интегрированных каталитических риформеров для практической реализации термохимической рекуперации теплоты отработанных газов и использования для риформинга отработанных газов энерго-генерирующих гибридных систем для генерации модифицированного синтез-газом газо-моторного топлива, в том числе с применением батареи топливных элементов. Выполнен расчет стационарных режимов и критических явлений (зажигание, погасание) каталитических блоков при работе в автотермическом режиме в соответствии с ожидаемой активностью разрабатываемых катализаторов, проведено исследование параметрической чувствительности математической модели.