.jpg)
Ученые из Центра компетенций HySA при Северо-Западном университете Южной Африки провели масштабный анализ современных технологий, позволяющих сделать производство и использование водорода эффективнее. Они обобщили опыт разработки каталитических реакторов на основе материалов, которые благодаря своей пористой структуре способны ускорять химические реакции и лучше отводить тепло. Это важно, потому что водородная энергетика сталкивается с проблемой несовершенства оборудования. Реакторы часто работают неэффективно, перегреваются или требуют слишком много энергии для прокачки газов.
Металлические пены, о которых идет речь, похожи на губки с открытыми порами. Их выплавляют по полимерным шаблонам, спекают металлические порошки с последующим вымыванием наполнителя или даже печатают на 3D-принтерах. В результате получается материал с пористостью до 98%, огромной удельной поверхностью и, что особенно важно для химиков, способностью создавать турбулентность в потоке газа. Это значит, что реагирующие вещества лучше перемешиваются и быстрее вступают в реакцию, а давление при этом падает не так сильно, как в реакторах с гранулами катализатора.
Но простая металлическая пена катализатором не работает, ее нужно активировать. Ученые подробно разобрали способы нанесения активных веществ на поверхность пор, включая использование суспензий из готового катализатора, золь-гель технологию, электрохимическое осаждение и даже нанесение металлов из газовой фазы. Каждый способ имеет свои нюансы. Где-то важно подобрать кислотность раствора, чтобы частицы не слипались, где-то нужно прогреть заготовку, чтобы слой держался прочно. От качества покрытия зависит буквально все. Если катализатор осыпется, реактор превратится в бесполезную железку.
Ученые рассмотрели, в каких именно реакторах такие пены уже применяются. Это и простые трубчатые реакторы с неподвижным слоем, и более сложные мембранные установки, где водород отводят прямо во время реакции, сдвигая равновесие в нужную сторону, и даже микрореакторы с каналами толщиной в миллиметры. В некоторых случаях пену используют не как носитель, а как наполнитель. Поры заполняют гранулами катализатора, и тогда конструкция сочетает высокую теплопроводность металла с большой массой активного вещества. Эксперименты показывают, что такие гибриды позволяют избежать перегрева даже в таких быстрых и горячих реакциях, как паровая конверсия метана.
Сравнение с обычными реакторами часто оказывается в пользу пены. Например, при синтезе Фишера-Тропша, где из угарного газа и водорода получают жидкое топливо, температура по сечению реактора с пеной распределяется гораздо равномернее, чем в слое гранул. Это значит, что количество побочных продуктов уменьшается, а катализатор служит дольше. В реакторах с мешалкой, где газ, жидкость и твердый катализатор должны контактировать особенно тесно, лопасти из пористого металла тоже проявили себя лучше корзинок с гранулами, ускоряя массообмен.
В целом проведенный учеными анализ показывает, что реакторы на основе металлической пены могут значительно повысить эффективность многих процессов водородной энергетики. Пены особенно полезны там, где процесс ограничивают подвод тепла и доставка реагентов к активным центрам, а не скорость химии.
