Новости химической науки > Зарядим метанолом водородные топливные элементы

Исследователи из Германии и Италии разработали способ получения газообразного водорода из метанола при низких значениях температуры и давления. Выделению водорода способствует рутений содержащий катализатор с пинцерным лигандом.

Важность результатов исследования в особенности определяется тем, что оно делает возможным применение метанола в качестве источника водорода для топливных элементов, в конструкцию которых входят протон-обменные мембраны. Такие топливные элементы генерируют электроэнергию, перерабатывая водород, в результате чего единственным продуктом сгорания является только вода, поэтому они рассматриваются как перспективные системы для экологически чистых транспортных средств нового поколения.

В принципе, топливные элементы могут вырабатывать энергию за счет сжигания или другого способа переработки метанола, однако такие топливные элементы отличаются меньшей эффективностью, они менее долговечны и устойчивы по сравнению с водородными топливными элементами. Однако трудности с адаптацией водородных топливных ячеек к транспортным средствам связаны со сложностями в хранении водорода и работы с ним. Хорошо известен процесс разрушения метанола с выделением водорода – риформинг, однако для его реализации требуются высокое давление и температуры выше 200°C, что делает его непрактичным для применения к переработке метанола в водород в конструкционной схеме обычного автомобиля.

Рутениевый комплекс катализирует трехстадийную трансформацию метанола, на каждой из стадий высвобождается водород. (Рисунок из Nature, 2013, DOI: 10.1038/nature11891)

Как заявляет руководитель исследования, Маттиас Беллер (Matthias Beller) из Университета Ростока, идеальным было бы создание жидкой системы для накопления энергии – именно поэтому столь перспективно разработка эффективной системы конверсии, позволяющей использовать метанол в качестве источника водорода.

Исследователи получили серию растворимых в метаноле катализаторов, в которых центральный атом рутения был координирован с атомом азота и двумя атомами фосфора, входящими в состав фосфорорганического пинцерного лиганда. В присутствии воды и гидроксида натрия катализатор ускоряет конверсию метанола в формальдегид, при этом высвобождается водород. На следующем этапе происходит окисление муравьиного альдегида до муравьиной кислоты, опять же с выделением водорода, а муравьиная кислота, в свою очередь, расщепляется на водород и диоксид углерода. Исследователи впервые обнаружили каталитическую систему, в которой один и тот же катализатор ускоряет реакцию трех различных субстратов, образующихся по мере увеличения глубины превращения метанола, позволяя высвобождать три моль водорода на один моль взятого метанола. Важным фактором, потенциально позволяющим в перспективе использовать систему в настоящих топливных ячейках является то, что каталитическая реакция протекает при температуре ниже 100°C и нормальном атмосферном давлении.

Беллер отмечает, что хотя уже наблюдается достаточное количество молекул водорода, образование которых может обеспечить молекула катализатора до своей дезактивации и высокая скорость реакции, это параметры, которые можно и нужно увеличить. Исследователь уверен, что система может быть значительно модифицирована и ее производительность будет повышена за счет тонких изменений строения металлоорганического катализатора.

Тем не менее препятствием на пути к немедленному использованию метанола в качестве источника для водородного топлива является относительно высокие энергетические затраты на производство самого метилового спирта. Валери Дюпон (Valerie Dupont) из Университета Лидса, также изучающий системы получения водорода с помощью инициированного паром риформинга отмечает, что исследователи из группы Беллера получили хороший результат, но для практического применения необходима существенное понижение производства метанола.

Источник: Nature, 2013, DOI: 10.1038/nature11891

метки статьи: #водородная энергетика, #вопросы экологии, #кинетика и катализ, #химическая технология, #электрохимия