Вчені розробили процес над сухої риформінгу з використанням твердих оксидних електролізерів (SOEC) і каталізаторів Rh-CeCO₂₋ₓ для ефективного перетворення метану, багатого на CO₂, у синтез-газ із високими показниками конверсії та майже 100% селективністю.
Сухий риформінг метану (DRM) — добре відомий метод перетворення вуглекислого газу (CO₂) та метану (CH₄) у синтез-газ (суміш водню H₂ і чадного газу CO), що має велике промислове значення. Зазвичай цей процес відбувається при співвідношенні CO₂ до CH₄, близькому до 1. Проте майбутні джерела метану, зокрема природний газ, збагачений CO₂, ймовірно, міститимуть набагато вищі концентрації CO₂, що потребує дорогого очищення для досягнення необхідного складу.
У дослідженні, опублікованому в Nature Chemistry, команда під керівництвом професорів Гоусюна Вана, Цзяньпіна Сяо та Сінхе Бао з Інституту хімічної фізики м. Далянь Китайської академії наук представила інноваційний метод прямого виробництва синтез-газу. Цей процес, названий надсухим риформінгом метану, працює при співвідношенні CO₂/CH₄ ≥ 2 і дозволяє напряму перетворювати природний газ, збагачений вуглекислим газом, за допомогою високотемпературного тандему електро-термокаталізу в твердих оксидних електролізерах (SOEC).
Ці електролізери функціонують при високих температурах (600–850 °C) і здатні перетворювати CO₂ і воду на CO і H₂. Вони відзначаються високими швидкостями реакцій, енергоефективністю та відносно низькими експлуатаційними витратами. Завдяки цьому SOEC мають великий потенціал для утилізації CO₂, виробництва водню та зберігання енергії з відновлюваних джерел.
Враховуючи сумісність робочих температур SOEC і DRM, дослідники розробили систему, яка поєднує DRM, зворотну реакцію водяного газу (RWGS) і електроліз води безпосередньо в катоді електролізної комірки.
Інтегрована електрохімічна система
У цій системі електрохімічне відновлення H₂O-продукту в катоді утворює H₂ і O²⁻-іони. Ці O²⁻-іони проходять крізь електроліт і на аноді окиснюються до O₂ під дією прикладеної напруги. Такий процес зміщує рівновагу RWGS-реакції, збільшуючи конверсію CO₂ і селективність до H₂ понад звичайні термодинамічні межі.
Дослідники також in situ утворили наночастинки родію (Rh) на носії з CeO₂₋ₓ, що створило високу щільність активних центрів типу Ce³⁺-VO-Rhδ⁺. При роботі зі співвідношенням CO₂/CH₄ = 4, система досягла 94,5% конверсії CH₄ і 95,0% конверсії CO₂ з майже 100% селективністю до CO і H₂. Ефективність відновлення метану досягла теоретичного максимуму — 4,0.
Подальші дослідження показали, що сайти Rhδ⁺ відповідають за розщеплення CH₄, а інтерфейс Ce³⁺-VO-Rhδ⁺, багатий на кисневі вакансії, сприяє адсорбції та активації CO₂ і проведенню RWGS-реакції. Той самий інтерфейс каталізував електрохімічне відновлення води, що підвищило як конверсію CO₂, так і селективність до H₂.
«Наше дослідження може відкрити новий шлях для прямого використання природного газу, багатого на CO₂, та промислових викидів за допомогою відновлюваної енергії», — зазначив професор Ван. Джерело