.jpg)
Ученые из Клемсонского университета и Национальной лаборатории Айдахо в США создали новый материал, позволяющий получать водород и угарный газ исключительно за счет тепла, источником которого может служить концентрированная солнечная энергия, ядерный реактор или даже утилизируемое промышленное тепло.
Материал представляет собой сложный оксид металлов с кристаллической структурой и необычным химическим составом. Это так называемый высокоэнтропийный перовскит, в котором на одной позиции кристаллической решетки равномерно распределены такие элементы, как кальций, стронций, гадолиний, лантан и празеодим. Помимо этого, марганец и алюминий, отвечают за химическую активность и структурную прочность. Такое сочетание делает материал устойчивым к перегреву и разрушению даже при экстремальных температурах выше 1300 oC.
Главная особенность нового оксида заключается в его способности многократно участвовать в термохимическом цикле, когда тепловая энергия превращается в химическую. Цикл состоит из двух этапов. Сначала при нагреве до 1350 oC в атмосфере аргона материал теряет часть кислорода. Затем его охлаждают до 1000 oC и подают водяной пар или углекислый газ. Восстанавливаясь, оксид забирает кислород из этих молекул и выделяет водород или угарный газ, а высокотемпературное тепло напрямую преобразуется в топливо.
Перовскиты давно считались перспективными катализаторами, но прежде образцы быстро деградировали и требовали слишком высоких температур. Новый материал показал колоссальную устойчивость и эффективность. В испытаниях он выдержал десять полных циклов без потери активности и обеспечил средний выход 320 микромолей водорода на грамм вещества, что в полтора-два раза выше, чем у лучших промышленных аналогов, и в шесть раз больше, чем у цериевых оксидов, применявшихся раньше. При использовании CO2 выход угарного газа составил 420 микромолей на грамм, что втрое превосходит самые высокие прошлые результаты.
Даже при снижении концентрации водяного пара до 5% катализатор сохранял устойчивость и высокую производительность. Реакции шли быстро, полный цикл восстановления и окисления занимал менее получаса.
Секрет такой устойчивости заключается в самой структуре материала. Высокая энтропия и множество возможных комбинаций атомов делают решетку термодинамически устойчивой. Она не спекается, не расслаивается и не теряет форму даже при многократных циклах нагрева и охлаждения. А микропористая структура обеспечивает быстрый обмен газов и ускоряет реакции.
Эта разработка открывает путь к созданию новых типов солнечных термохимических установок, которые смогут получать водород и угарный газ напрямую из воды и CO2, используя только концентрированное тепло. При этом все элементы, входящие в состав оксида, широко распространены, что делает масштабное производство такого катализатора реальным.
