Микро- и нанотехнологии получения водорода для перспективных энергетических систем

(Из выступления д.ф.-.м.н. В. Кузнецова

В данном сообщении д.ф.-м.н. В. Кузнецовым (Институт теплофизики СО РАН) представлены результаты в области применения нанотехнологий в энергетике для получения водорода. Большое внимание уделяется в последнее время поиску альтернативных экологически чистых источников энергии и, в частности, развитию водородной энергетики. Применение водорода для питания топливных элементов кардинально изменит параметры электрогенерирующего оборудования. В особенности это относится к локальным источникам энергии, где для использования топливных элементов необходима разработка компактных систем получения водорода с различной степенью чистоты.

Владимир Васильевич КУЗНЕЦОВ

Конверсия углеводородного сырья в водород является сложным многостадийным процессом, и традиционные химические реакторы не могут быть использованы из-за их размера и сложности в управлении. Принципиальным решением проблемы компактных генераторов водорода является применение микрореакторных топливных процессоров, основанных на наноструктурных катализаторах нового поколения, и объединяющих потоки тепла и продукты реакций для получения высокой суммарной энергоэффективности.

Микрореакторы — это компактные химические реакторы с каналами микронного размера различной формы, что определяет их уникальные свойства. Нанотехнологии позволяют создавать катализаторы с оптимальными структурными и размерными характеристиками для таких реакторов с целью повышения активности, селективности и производительности.

Катализ относится к наиболее перспективным областям применения наносистем. На основе нанодизайна катализатора, покрывающего стенки микроканалов, возможно не только понижение энергии активации реакций, но и управление селективностью при изменении высоты активационных барьеров индивидуальных элементарных шагов реакций.

Наночастицы с размером до 10 нм характеризуются повышенной поверхностной энергией, координационной ненасыщенностью и большой абсорбционной емкостью, что обусловлено соизмеримостью размера частиц с радиусом действия межатомных сил и наличием некомпенсированных химических связей в поверхностных атомах. С уменьшением размера частиц возрастает число дефектов поверхности, которые являются активными центрами реакций. Разработаны методы создания многослойных наноструктур, содержащих наночастицы благородных металлов, с большой реакционной поверхностью и высокой поверхностной диффузией реагирующих компонент.

На основе синтеза многоядерных координационных соединений с последующим терморазложением до высокодисперсных наноразмерных оксидов и механохимических методов синтезированы многокомпонентные нанокатализаторы с высокой однородностью фазового состава. Катализаторы имеют однородную фракцию наночастиц благородных металлов с размером порядка 10 нм и оптимальную подвижность кислорода в решетке носителя. Это позволяет избежать быстрого зауглероживания поверхности из-за термического разложения метана и исключить высокую скорость окисления углеводородных фрагментов с образованием воды и двуокиси углерода.

Синтезированные катализаторы применены для получения водородсодержащего синтез-газа при неполном окислении и паровой конверсии метана и показали свою высокую эффективность. Определен диапазон температур, в котором процесс получения синтез-газа характеризуется высокой селективностью по водороду и окиси углерода, изучена кинетика элементарных реакций на синтезированных катализаторах.

Проведено математическое моделирование химических и тепловых процессов при конверсии метана в присутствии паров воды и воздуха в разных соотношениях в элементе микроканального реактора с наноразмерным активирующим реакции покрытием стенок каналов. Это позволило выделить рабочие режимы микрореакторов с высоким выходом водорода в условиях экзотермических и эндотермических реакций. Предложенные конструкции реакторов позволяют довести долю водорода в сухом газе до 73 % в широком диапазоне рабочих параметров при конверсии метана.

В условиях контролируемых тепловых и диффузионных полей созданные многослойные наноструктуры показали высокую эффективность для получения водорода. Они использованы для создания прототипов реакторов неполного окисления и паровой конверсии метана. Определена производительность прототипов реакторов, которая не уступает лучшим мировым образцам. Это открывает возможности производства систем получения водорода для перспективных энергетических систем на основе микро- и нанотехнологий

http://pine.ict.nsc.ru/…n50/f12.html

Заведующий отделом технической теплофизики – д.ф.м.н., КУЗНЕЦОВ Владимир Васильевич

Специалист в области механики и теплофизики многофазных сред. Основные результаты получены в области капиллярной гидродинамики и теплофизики многофазных потоков в высоконапряженных аппаратах энергетики и химической технологии, волновых процессов в многофазных средах, двухфазных течений в пористых средах и микроканалах. Прикладные работы связаны с созданием высокоэффективных тепло- и массообменных устройств, оптимизацией технологических процессов.

http://www.itp.nsc.ru/…ute/Boss.HTM

Институт теплофизики СО РАН

http://www.itp.nsc.ru/

Очень впечатляет!.. Ещё совсем недавно это казалось сюжетом из научной фантастики, а теперь вон уже создаются прототипы, действующие макеты этих поистине фантастических приборов, знаменующих начало эры водородной энергетики…