Аммиак как источник «зеленого» водорода: российские разработки

Новосибирскее ученые из ФИЦ «Институт катализа СО РАН» совместно с Центром компетенций НТИ «Водород как основа низкоуглеродной экономики» при поддержке Российского научного фонда разрабатывают новый метод получения водорода из аммиака при помощи фотокаталитических и фотоэлектрохимических процессов. Эти исследования направлены на создание энергоэффективной технологии, способной работать при комнатной температуре и атмосферном давлении. Особый интерес такая технология вызывает в контексте переработки аммиака, который в значительных объемах накапливается, например, на очистных сооружениях.

Известно, что интерес к аммиаку как к сырью для производства водорода начал активно развиваться только с 2000-х годов. В разных странах рассматриваются варианты практического применения этой идеи — ранее сообщалось о планах по созданию во Франции пилотной установки для крекинга аммиака. Однако традиционный процесс разложения аммиака — это термокаталитическая реакция при температуре свыше 600 °C, требующая значительных энергозатрат и катализаторов с содержанием платины на уровне 5–10 % от массы.

В российском проекте ученые решили пойти другим путем и изучить фотокаталитические и фотоэлектрохимические методы, которые можно реализовать при комнатной температуре и при существенно меньшем содержании платины. В исследовании стартовым ориентиром стало использование примерно 1 % платины.

Для этих целей команда использует полупроводниковые материалы: диоксид титана, оксид вольфрама, оксид цинка, фосфат серебра. Как поясняют специалисты, системы на основе полупроводников с нанесенным металлом позволяют пространственно разделить стадии реакции. Восстановление аммиака происходит на металлических частицах, а окисление — на поверхности полупроводника. Это позволяет более эффективно использовать фотоэнергию за счет разделения зарядов и уменьшать общие энергозатраты процесса.

В рамках исследований уделяется внимание и экономической стороне — снижению доли платины в катализаторах. Ранее полученные данные показали возможность заметного уменьшения содержания этого дорогого металла без потери каталитической активности или даже с заменой на более доступные альтернативы.

Научный сотрудник Отдела гетерогенного катализа Института катализа СО РАН и Центра компетенций НТИ к.х.н. Дина Марковская подчеркивает, что важнейшие преимущества фотокаталитического и фотоэлектрохимического подходов заключаются в возможности использования возобновляемой энергии и проведении реакций при комнатной температуре и нормальном давлении. Она объясняет, что это существенно сокращает энергозатраты и делает такие процессы более привлекательными для экологических решений, например, интеграции в системы очистки сточных вод на промышленных предприятиях.

По словам Дины Марковской, фотокаталитический реактор на солнечной энергии способен не только очищать воду от примесей аммиака, но и одновременно производить дополнительный водород. Такой подход позволяет создавать замкнутый цикл, что особенно актуально с учетом значительных объемов промышленных стоков.

В настоящее время исследователи сосредоточены на изучении кинетики и механизмов разложения аммиака на новых катализаторах. Это необходимо для того, чтобы точно оценить практический потенциал технологии и сформировать обоснование для дальнейшей разработки более сложных композитных катализаторов с улучшенными свойствами.