Сухой риформинг метана (DRM) является одной из наиболее перспективных технологий для утилизации двух мощных парниковых газов – метана и диоксида углерода. В основе процесса лежит химическая реакция между CH4 и CO2, приводящая к образованию синтез-газа, смеси водорода и окиси углерода с молярным отношением приблизительно равным единице. Этот синтез-газ является важным сырьем для производства топлива, химикатов и материалов с высоким добавочным значением. Однако классический термически нагреваемый DRM требует высоких температур – свыше 800 градусов Цельсия – и, как следствие, значительных энергозатрат и значительного углеродного следа из-за использования ископаемых источников энергии. Невозможность практического применения DRM в крупномасштабной промышленности связана с этими ограничениями, что долгое время оставляло технологию в рамках исследований лабораторного уровня.
Современные инновационные исследования концентрируются на интеграции альтернативных способов нагрева и активации реакции, в том числе управляемых электрическим током, что принципиально меняет энергетическую и экологическую динамику процесса. Электрификация сухого риформинга метана, особенно на катализаторах, обладающих высокой электропроводностью и каталитической активностью, открывает новый этап в развитии этой технологии. Основой подобных катализаторов служат металлические частицы никеля и промотора в виде лантан (III) оксида, закрепленные на активированном угле (Ni-La2O3/AC). Активированный уголь обеспечивает не только механическую поддержку, но и высокую проводимость, необходимую для протекания электрического тока через катализаторный слой. Созданный электрифицированный катализатор функционирует в специализированном реакторе, где непосредственно через слой катализатора пропускается постоянный электрический ток, что вызывает локальный прогрев за счет джоулева эффекта и одновременно способствует специфическому «электрическому эффекту».
Именно под ним понимается снижение энергии активации реакции и ускорение ключевых химических процессов, связанных с циркуляцией кислорода в граточных структурах и восстановлениями окисленных частиц никеля, а также активным взаимодействием лантана с адсорбированными на поверхности углерода и углекислого газа промежуточными соединениями. Эксперименты показали, что такое сочетание параметров позволяет достичь термодинамического равновесия реакций при значительно сниженных энергозатратах, а реакция в режиме электрификации сохраняет стабильность и активность в течение не менее 120 часов, в то время как традиционный термический режим деградирует за 10 часов из-за накопления кокса и окисления катализатора. Анализ температурных параметров, контролируемых путем встроенных в реактор термопар, подтверждает, что электрифицированный процесс обладает более uniform температурным профилем, что дополнительно способствует равномерному распределению реактивов и минимизации горячих точек, обычно опасных для катализатора. Одной из самых важных характеристик разработанного метода является рекордно высокий показатель энергоэффективности. Показатель количества молей конвертированных газов на килоджоуль затраченной энергии превышает в 6–12 раз аналогичный параметр для традиционного DRM и превосходит данные, ранее достигнутые при использовании плазменных и лазерных технологий риформинга.
Масштабирование процесса подтверждает сохранение и даже увеличение эффективности, что делает технологию перспективной для промышленного применения. Энергетическая эффективность имеет прямое влияние на углеродный след процесса. При использовании устойчивых источников электроэнергии, таких как электроэнергия с оффшорных ветряных установок, гидроэлектростанций или атомных электростанций, электрифицированный DRM способен стать процедурой с отрицательным выбросом CO2. Это означает, что суммарный эффект процесса приводит к удалению парниковых газов из атмосферы, а не к их дополнительному созданию, что является значимым шагом в борьбе с глобальным изменением климата. В основе каталитического механизма стоит взаимодействие между оксидом лантана и металлом никеля.
CO2 связывается с La2O3, образуя промежуточное соединение – лантан-диеоксикарбонат (La2O2CO3), который под действием электрического тока более активно разлагается, выделяя активные кислородные виды. Эти виды участвуют в окислении углерода, образующегося вследствие разложения метана на никель-содержащей поверхности, восстанавливая при этом оксид никеля обратно до металлического состояния. Такая циклическая трансформация препятствует накоплению кокса и деактивации катализатора. Электрический ток не только облегчает эти процессы, но и подавляет побочную обратную реакцию водо-газового сдвига, благодаря удержанию никеля в восстановленном состоянии и блокированию формирования водяных паров на поверхности катализатора. Подтверждение предложенного механизма было получено с помощью сочетания передовых методов аналитики – рентгеновской дифракции, электронной микроскопии с высоким разрешением, фотоспектроскопии, а также спектроскопии в режиме in situ (например, раман, DRIFTS и XPS с электрическим воздействием).
Эти методы позволили проследить фазовые изменения катализатора до и после реакции, наблюдать состав и распределение кислородных и углеродных промежуточных видов и подтвердить ключевую роль электрического поля в разложении и восстановлении латентных промежуточных соединений. Проявляется также универсальность электрифицированного подхода: замена лантана на другие активные керамические оксиды, такие как церий или магний, позволила исследовать влияние сводимых к химическим характеристикам параметров каталитического материала. Как и ожидалось, церий, обладающий более лабильной кислородной решеткой, показал значительное улучшение эффективности реакции под электрическим полем, тогда как магний, с более инертной структурой, продемонстрировал менее выраженный эффект. Это дает ключевые подсказки для дальнейшей оптимизации состава катализаторов и разработки более стабильных и эффективных материалов. Технология электрифицированного сухого риформинга метана имеет потенциал для революционных изменений в промышленном производстве синтез-газа и водорода.
