Новая электрохимическая технология превращает аммиак в чистый водород при меньших энергозатратах
Учёные Массачусетского технологического института разработали новый электрохимический способ извлечения чистого водорода из аммиака и других соединений-носителей водорода. Новый подход позволяет снизить температуру и энергозатраты, необходимые для получения водорода, одновременно отделяя его от примесей без дополнительной очистки.
Аммиак рассматривается как один из перспективных способов хранения и транспортировки водорода. В отличие от самого водорода, который сложно перевозить из-за необходимости сжатия или сжижения, аммиак можно хранить и транспортировать в жидком виде. Однако получение водорода из аммиака традиционным методом требует высоких температур и последующей очистки полученной газовой смеси.
Исследователи MIT предложили использовать электричество для ускорения реакции выделения водорода и одновременно его разделения. В новом исследовании учёные показали, что их система способна создавать поток высококонцентрированного водорода высокой чистоты.
«Мы показали, что электрохимия позволяет запускать реакции дегидрирования, которые в обычных условиях являются термодинамически невыгодными и кинетически сложными», — отметил профессор химии и химической инженерии MIT Йогеш Сурендранат.
Главным элементом новой установки стала комбинация палладиевой разделительной мембраны и электрода, генерирующего водород, соединённых через расплавленный гидроксидный электролит. Мембрана пропускает только водород, не позволяя другим компонентам реакционной смеси проходить через неё.
Сначала аммиак подвергается разложению с помощью катализатора на основе рутения и цезия. Затем образовавшийся водород поступает к разделительной мембране. Электрохимический градиент создаёт эффект «вакуума» для водорода, заставляя его проходить через мембрану.
После этого молекулы водорода преобразуются в протоны и электроны. Они перемещаются разными путями через электролит и внешнюю электрическую цепь, а затем снова соединяются на втором электроде с образованием чистого водорода.
Благодаря избирательной работе мембраны система сразу производит концентрированный поток водорода и не требует отдельного этапа очистки от азота и остатков аммиака. Кроме того, постоянное удаление водорода помогает ускорить сам процесс разложения аммиака, особенно в случаях, когда накопление водорода обычно замедляет реакцию.
Новая технология работает при температурах около 200–300 °C, что значительно ниже примерно 500 °C и более, которые требуются для традиционного процесса «крекинга» аммиака с высокой скоростью реакции.
По словам исследователей, снижение температуры и отсутствие дополнительной очистки могут сделать производство водорода более энергоэффективным. Метод также может применяться не только для аммиака, но и для жидких органических носителей водорода, например метилциклогексана.
Жидкие органические носители водорода рассматриваются как ещё один способ безопасного хранения и перевозки этого топлива. При необходимости водород можно высвобождать непосредственно в месте использования, например для транспорта или промышленных процессов.
Учёные считают, что технология может найти применение в энергетике, включая питание автомобилей, автобусов и судов, а также в производстве полупроводников. Чистый водород используется при изготовлении электроники, где он помогает повышать качество продукции и уменьшать количество дефектов на поверхности материалов.
Одним из ограничений технологии остаётся использование палладия — дорогого металла, необходимого для создания мембраны. Сейчас команда MIT работает над снижением количества палладия в конструкции, масштабированием установки и адаптацией метода для других промышленных реакций дегидрирования.