Метан из сланцевого газа можно превратить в углеводородное топливо с помощью инновационного катализатора из сплава платины и меди, согласно новому исследованию, проведенному UCL (Университетский колледж Лондона) и Университетом Тафтса.
Платина или никель, как известно, разрушают углерод-водородные связи в метане, содержащемся в сланцевом газе, для производства углеводородного топлива и других полезных химикатов. Однако этот процесс вызывает «коксование» - металл покрывается углеродным слоем, что делает его неэффективным, блокируя реакции на поверхности.
Новый сплав катализатора устойчив к закоксовыванию, поэтому он сохраняет свою активность и требует меньше энергии для разрыва связей, чем другие материалы.
В настоящее время процессы риформинга метана чрезвычайно энергоемки и требуют температуры около 900 градусов Цельсия. Этот новый материал может снизить температуру до 400 градусов по Цельсию, экономя энергию.
Исследование, опубликованное сегодня в журнале Nature Chemistry, демонстрирует преимущества нового сильно разбавленного сплава платины и меди - сплава с одним атомом - при создании полезных химикатов из небольших углеводородов.
Комбинация экспериментов по изучению поверхности и катализа, а также мощных вычислительных технологий была использована для исследования характеристик сплава. Они показали, что платина разрывает углерод-водородные связи, а медь помогает соединять молекулы углеводородов разного размера, прокладывая путь к превращению в топливо..
Соавтор исследования, профессор Михаил Стаматакис (UCL Chemical Engineering), сказал: «Мы использовали суперкомпьютеры для моделирования того, как происходит реакция - разрыв и образование связей в малых молекулах на поверхности каталитического сплава, а также прогнозировать его работу в больших масштабах. Для этого нам требовался доступ к сотням процессоров для моделирования тысяч событий реакции».
В то время как исследователи UCL отслеживали реакцию с помощью компьютеров, химики и инженеры-химики Тафтса проводили исследования поверхности и эксперименты с микрореакторами, чтобы продемонстрировать жизнеспособность нового катализатора - атомов платины, диспергированных на поверхности меди - в практических условиях. Они обнаружили, что одноатомный сплав очень стабилен, и для его работы требуется лишь небольшое количество платины.
Руководитель исследования, профессор Чарльз Сайкс с химического факультета Школы искусств и наук Университета Тафтса, сказал: «Увидеть - значит поверить, и наш сканирующий туннельный микроскоп позволил нам визуализировать, как отдельные атомы платины расположены в меди. Учитывая, что платина стоит более 1000 долларов за унцию по сравнению с медью по 15 центов, можно добиться значительной экономии средств».
Вместе команда показывает, что сплаву требуется меньше энергии, чтобы помочь разрушить связи между атомами углерода и водорода в метане и бутане, и что сплав устойчив к закоксовыванию, открывая новые области применения материала.
Соавтор исследования, заслуженный профессор Мария Флитцани-Стефанопулос с кафедры химической и биологической инженерии Инженерной школы Университета Тафтса, сказала: «Хотя модельные катализаторы в экспериментах по изучению поверхности необходимы для отслеживания структуры и реакционной способности в атомном масштабе интересно распространить эти знания на реалистичные катализаторы на основе наночастиц аналогичного состава и протестировать их в практических условиях, чтобы разработать катализатор для следующего этапа - промышленного применения».
Теперь команда планирует разработать дополнительные катализаторы, которые также устойчивы к закоксовыванию металлов, традиционно используемых в этом и других химических процессах.