• A
  • A
  • A
  • АБB
  • АБB
  • АБB
  • А
  • А
  • А
  • А
  • А
Обычная версия сайта

Наноразмерные мембраны и катализаторы обеспечат «зеленое» будущее

Создание новых материалов было и остается основой технологического развития и разработки инновационных продуктов для различных секторов экономики. Они позволяют как совершенствовать современные технологии, делая их более эффективными и экономически выгодными, так и реализовывать принципиально иные, прорывные технологические решения. В данном выпуске трендлеттера представлены три направления исследований и разработок в области нанотехнологий, охватывающие широкий спектр отраслей и объединенные тем, что их вектор развития связан с применением наноразмерных мембран и катализаторов. Описанные решения применяются, в частности, при создании топливных элементов, считающихся одним из наиболее перспективных и экологически чистых альтернативных источников энергии. Они уже начинают использоваться в быту, в транспортных средствах, а также в процессах мембранной водоочистки (спектр приложений варьируется от потребительского сектора до атомной и тепловой энергетики) и системах фильтрации водорода.

Версия для печати:   

Мембраны и катализаторы для топливных элементов

Топливные элементы — высокоэффективные и надежные источники генерации и аккумулирования энергии, на которых основана концепция водородной экономики. Уже сейчас они используются для энергоснабжения домов, в транспорте, авиации, для освоения космоса и др. Широкое внедрение топливных элементов пока сдерживают высокая стоимость комплектующих (мембран, платиновых катализаторов) и связанные с их применением ограничения рабочего интервала температур, чистоты топлива. Решить эти проблемы позволит разработка новых типов протонпроводящих мембран и биметаллических катализаторов.

В протонпроводящих мембранах за счет процессов самоорганизации формируются системы пор и каналов, содержащих молекулы воды, а также протоны, обеспечивающие высокую ионную проводимость. Внедрение в поры наночастиц неорганических материалов (оксидов, кислых солей или кислот), улучшающих структуру каналов и процессы переноса, может повысить эффективность работы топливного элемента. Существенно удешевит производство катализаторов, а также оптимизирует их работу (в частности, повысит их толерантность к примесям в водороде) переход к структуре «ядро в оболочке», когда ядро содержит более дешевый металл, а оболочка — каталитически активную платину.


 


 

Мембранный катализ для очистки водорода

Для использования в энергетике, химической промышленности, металлургии, производстве полупроводниковой техники нужен сравнительно дешевый и чистый водород. Самый привлекательный и низкозатратный способ его получения — конверсия природного газа, углеводородов, спиртов и биомассы — сопряжен с получением СО в качестве побочного продукта и дорогостоящей глубокой очисткой от него (для многих приложений критичны примеси СО даже на уровне миллионных долей). Ситуацию может улучшить разработка новых катализаторов, обеспечивающих минимизацию когенерации СО, и высокоэффективных систем фильтрации водорода.

Снижение содержания СО возможно за счет подбора сочетания металлов для наноразмерных катализаторов. Вместо ранее применявшихся оксидов поливалентных металлов будут использоваться наноразмерные углеродные носители, которые помогут решить проблему закоксовывания катализатора. Кроме того, водород можно селективно очищать пропусканием через мембраны из палладия или его сплавов. Важно использовать очень тонкие слои палладия (например, нанесенные на высокопористый носитель). Такая технология позволит сразу получать чистый водород и повысить производительность процесса.

 


 


 

Мембраны для водоочистки: объединение обратного осмоса с электродиализом

Почти половина населения планеты живет в условиях нехватки чистой воды, поэтому важной задачей становится развитие и внедрение на предприятиях технологий с замкнутым водным циклом, или с нулевым сбросом жидкости (Zero Liquid Discharge, ZLD). Сейчас воду очищают с помощью таких мембранных технологий, как обратный осмос, микрофильтрация и электродиализ. У наиболее распространенного способа — обратного осмоса — есть серьезные преимущества (сравнительно низкая себестоимость и высокая производительность), но и существенный недостаток — невозможность высокой концентрации солей. ZLD-производство создавать на базе только одной технологии невозможно, а с дополнительным применением традиционных методов — неэффективно.

Решением станет объединение обратного осмоса и электродиализа. За счет применения новых материалов можно повысить эффективность обоих методов, оптимизировать систему пор и каналов мембран (в электролизе применяются наноразмерные мембраны с функциональными ионообменными центрами, в обратном осмосе — без функциональных группировок). Например, введение в мембраны небольшого количества каталитически активных наночастиц увеличит производительность электродиализа.


 


 
Мониторинг глобальных технологических трендов проводится Институтом статистических исследований и экономики знаний Высшей школы экономики (issek.hse.ru) в рамках Программы фундаментальных исследований НИУ ВШЭ.

При подготовке трендлеттера использовались следующие источники: Прогноз научно-технологического развития РФ до 2030 года (prognoz2030.hse.ru), материалы научного журнала «Форсайт» (foresight-journal.hse.ru), Web of Science, Orbit, iea.org, acutemarketreports.com и др.


Более детальную информацию о результатах исследования можно получить в Институте статистических исследований и экономики знаний НИУ ВШЭ: issek@hse.ru, +7 (495) 621-82-74.


© Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики», 2015