Ученые из Университета нефти и полезных ископаемых имени короля Фахда в Саудовской Аравии разработали дешевый катализатор на основе никеля для процесса сухого риформинга этана, способный заменить дорогостоящие аналоги. Новый материал позволяет эффективно перерабатывать углекислый газ и этан в смесь водорода и угарного газа, востребованную в химической промышленности.
Сам процесс сухого риформинга этана хорошо известен. При высокой температуре этан и углекислый газ вступают в реакцию с образованием водорода и угарного газа. Полученный синтез-газ используют для производства синтетического топлива, метанола и других химических продуктов. Этан является вторым по распространенности компонентом природного газа. По сравнению с метаном, который чаще применяется в подобных процессах, его молекулы легче вступают в реакцию, поэтому риформинг можно проводить при температуре примерно 500-650 oC вместо 750-800 oC. Это позволяет сократить энергозатраты. Однако одной из главных проблем остается подбор катализатора, который эффективно активирует одновременно этан и CO2, не покрывается углеродистыми отложениями и сохраняет активность в течение длительного времени.
Чтобы определить наиболее подходящий вариант, ученые приготовили серию катализаторов на основе оксида церия с добавлением родия, никеля, железа, вольфрама и циркония. Затем они изучили структуру и свойства полученных материалов с помощью рентгеновской дифракции, электронной микроскопии и методов температурно-программированного восстановления и десорбции. Это позволило определить, какие свойства катализатора обеспечивают высокую эффективность реакции и помогают ему дольше сохранять работоспособность. Затем все материалы испытали в одинаковых условиях, сравнив степень превращения этана и CO2, состав получаемых продуктов и устойчивость к образованию кокса.
Наибольшую активность показал катализатор, содержащий 2% родия. При температуре 650 oC он обеспечил превращение почти 99% этана и около 77% углекислого газа. Однако родий относится к дорогостоящим благородным металлам, а при его использовании около 12-15% продуктов приходились на нежелательный метан. Более практичным вариантом оказался катализатор с содержанием никеля 15%. При той же температуре он обеспечил превращение около 86% этана и 74% CO2. При этом метан и этилен составляли менее 1% продуктов, а весь остальной объем приходился на водород и угарный газ. Поскольку никель значительно дешевле родия, такой материал представляет больший интерес для возможного промышленного применения.
Исследование также показало, что эффективность никелевого катализатора зависит не только от его состава, но и от соотношения исходных газов. Когда CO2 и этан подавали в равных количествах, катализатор быстро покрывался углеродистыми отложениями и практически полностью терял активность в течение шести часов. При трехкратном избытке углекислого газа он проработал 48 часов. За это время степень превращения этана постепенно снизилась примерно с 80% до 52%, а CO2 − с 70% до 48%, однако водород и угарный газ оставались основными продуктами. Избыток CO2 способствовал удалению части образующегося углерода с поверхности и замедлял дезактивацию катализатора.
Представленная технология в перспективе может использоваться на газоперерабатывающих и нефтехимических предприятиях для получения синтез-газа из этана и CO2.
