Молекулярный дизайн гетерогенных катализаторов для производства, хранения и транспортировки высокочистого водорода

Возрастающий интерес к использованию альтернативных источников энергии и энергоносителей определяет необходимость разработки подходов к получению и запасанию водорода. Несмотря на свою привлекательность, водород достаточно сложно и дорого хранить и транспортировать, что существенно ограничивает развитие технологий на его основе. Для его хранения в связанном состоянии предложены различные подходы, включая использование сорбентов и химических гидридов, однако их эффективность и возможность использования ограничена. Наиболее перспективным на настоящий момент представляется направление, основанное на аккумулировании водорода в виде насыщенных углеводородов, удобных для транспортировки, и последующем выделении водорода путем каталитического дегидрирования. Одновременно с задачей запасания водорода проект направлен на разработку экологически чистого способа получения водорода с помощью фотокаталитических процессов, позволяющих напрямую преобразовывать солнечную энергию в энергию энергонасыщенных химических соединений. Следует отметить, что одновременно с генерацией водорода за счет использования доступных органических и неорганических доноров электронов, находящихся в водных растворах, решаются важные экологические проблемы по очистке воды от загрязнителей самой разной природы. Кроме того, за счет концентрирования водорода и его последующего аккумулирования в виде насыщенных углеводородов решается вопрос низкой концентрации водорода при фотокаталитическом получении, а в результате дегидрирования углеводородов появляется возможность получать высокочистый водород. Фактически разрабатываемые подходы по получению и хранению водорода могут рассматриваться как основа будущей водородной экономики. Одним из основных факторов, сдерживающих осуществление и внедрение как фотокаталитического способа получения водорода, так и предлагаемого подхода по его аккумулированию, является отсутствие эффективных катализаторов для данных процессов. Поэтому ключевые задачи проекта заключаются в разработке подходов молекулярного дизайна фотокатализаторов и катализаторов гидрирования/дегидрирования углеводородов. В настоящей работе планируется изучить влияние целого ряда допирующих элементов (Au, Pt, Pd, Cu, Ni, Ag) на активность диоксида титана в модификации анатаза и рутила в процессах фотокаталитического выделения водорода с использованием органических доноров электронов, имитирующих загрязнители воды (тиазиновый краситель метиленовый синий и глицерин). Чаще всего фотокаталитическое получение водорода исследуется в присутствии полупроводниковых систем на основе сульфида кадмия или платинированного диоксида титана, в то время как фотокатализаторы на основе диоксида титана и различных d-металлов мало изучены. Запасание водорода в виде насыщенных углеводородов и последующее его выделение планируется проводить в процессах каталитического гидрирования толуола и дегидрирования циклоалкана - метилциклогексана. Для реализации данных процессов предлагается разработать модифицированные никелевые катализаторы с использованием оригинальной гетерофазной золь-гель методики, обеспечивающей сильное взаимодействие компонентов. При разработке таких катализаторов основное внимание будет уделено решению двух проблем: увеличение стабильности катализаторов и увеличение селективности, что позволит обеспечить полноту использования углеводорода и извлечения водорода. Для исследования катализаторов будет использован широкий комплекс современных физико-химических методов (РФА, РФЭС, электронной просвечивающей микроскопией, электронной оптической спектроскопией, EXAFS и XANES), который позволит установить корреляции между каталитическими характеристиками разрабатываемых систем и составом и структурой активного компонента. В частности, применение методов EXAFS и XANES, позволяющих изучать наночастицы, кластеры, кристаллические и аморфные тела при атмосферном давлении, сложные многокомпонентные системы, обеспечит уникальную информацию об атомарном строении катализаторов. Будут также проведены in situ исследования в условиях близких к реальному катализу или в модельной восстановительной среде, что позволит детально разобраться в превращениях катализаторов, протекающих в ходе их эксплуатации. На основе этого будут разработаны подходы к молекулярному дизайну катализаторов с целью оптимизации их состава и условий приготовления, что в свою очередь позволит повысить их эффективность и стабильность в рассматриваемых типах процессов.