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 металлических пен – материалов, которые благодаря своей пористой структуре способны ускорять химические реакции и лучше отводить тепло. Эта работа важна, потому что водородная энергетика, призванная заменить ископаемое топливо, пока упирается в несовершенство оборудования: реакторы часто работают неэффективно, перегреваются или требуют слишком много энергии для прокачки газов.
Металлические пены, о которых идет речь, выглядят как губки с открытыми порами. Их производят разными способами: 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 традиционных реакторах с гранулами катализатора.
Но простая металлическая пена катализатором не работает – ее нужно активировать. И 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 – прогреть заготовку, чтобы слой держался прочно. Ученые подчеркивают, что от качества покрытия зависит буквально все: если катализатор осыпется реактор превратится в бесполезную железку.
Исследователи 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 очень быстрых и горячих реакциях вроде паровой конверсии метана.
Сравнение с традиционными 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 побочных продуктов образуется меньше, а катализатор живет дольше. В реакторах с мешалкой, где газ, жидкость и твердый катализатор должны контактировать особенно тесно, лопасти из пористого металла тоже показали себя лучше традиционных корзинок с гранулами — массообмен ускоряется в разы.
В целом проведенный исследователями анализ показывает, что реакторы на основе металлических пен могут значительно повысить эффективность многих процессов водородной энергетики. Пены особенно полезны там, где процесс лимитируют не скорость химии, а подвод тепла или доставка реагентов к активным центрам.
