Результаты исследования опубликованы в журнале Nature. Авторы считают, что разработка может упростить использование аммиака в качестве химического носителя водорода, поскольку позволяет получать непосредственно на месте потребления поток водорода высокой чистоты.
Сам водород сложно хранить и транспортировать в больших количествах: для этого его приходится сжимать или переводить в жидкое состояние. Альтернативой является химическое связывание водорода в соединениях, которые проще хранить и перевозить, с последующим извлечением непосредственно перед использованием.
Аммиак (NH₃) рассматривается как один из наиболее перспективных вариантов. Он уже производится в промышленном масштабе и перевозится на большие расстояния, а его молекула содержит значительное количество водорода. Однако извлечение этого водорода традиционным способом требует высоких температур.
Процесс крекинга аммиака основан на его разложении на азот и водород:
2NH₃ → N₂ + 3H₂.
Для получения высокой скорости реакции обычно требуются температуры выше 500 °C. Кроме того, после крекинга образуется смесь газов, из которой водород необходимо отделить от азота и остатков аммиака. Для ряда применений, включая топливные элементы и производство полупроводников, требуется водород высокой чистоты, поэтому дополнительная очистка увеличивает энергозатраты и усложняет установку.
MIT предложил объединить эти процессы в одной системе. В её основе находятся палладиевая мембрана, электрод для генерации водорода и расплавленный гидроксидный электролит.
Сначала аммиак поступает на катализатор на основе рутения и цезия, где происходит его дегидрогенизация. Образовавшийся водород достигает палладиевой мембраны. Этот металл обладает высокой селективностью к водороду: его атомы способны проходить через мембрану, тогда как азот и другие компоненты реакционной смеси задерживаются.
Ключевое отличие новой схемы заключается в использовании электрохимического потенциала. Он создаёт градиент через мембрану, который обеспечивает дополнительную движущую силу для переноса водорода. На одной стороне мембраны водород превращается в протоны и электроны. Протоны проходят через расплавленный электролит, а электроны — по внешней электрической цепи. На другом электроде они снова соединяются с образованием молекулярного водорода.
В результате система не просто отделяет уже полученный водород от остальных газов, а активно выводит его из зоны реакции. Это может дополнительно стимулировать дегидрогенизацию, поскольку накопление водорода способно препятствовать дальнейшему протеканию реакции.
«Используя этот электрохимический процесс, мы можем провести активное перекачивание водорода с низкой концентрации в высокую концентрацию», — говорит Йогеш Сурендранат, профессор химии и химической инженерии MIT и старший автор исследования.
По данным исследователей, новый процесс позволяет работать примерно при 200–300 °C. Это существенно ниже температур, характерных для традиционного высокотемпературного крекинга аммиака. При этом на выходе формируется концентрированный поток водорода, для которого не требуется отдельная стадия очистки от азота.
«Мы показали способность использовать электрохимию для проведения термодинамически подъёмных и кинетически сложных реакций дегидрогенизации», — отмечает Сурендранат.
Исследователи проверили метод не только на аммиаке, но и на метилциклогексане — одном из жидких органических носителей водорода (LOHC). Это показывает, что предложенная архитектура потенциально может применяться не только к одному химическому соединению, а к более широкому классу реакций дегидрогенизации.
В перспективе технология может найти применение там, где водород необходимо получать непосредственно в месте использования. Среди возможных областей авторы называют транспорт, включая автомобили, автобусы и суда, а также производство полупроводников и электроники. В полупроводниковой промышленности водород используется на различных технологических этапах, в том числе для обработки поверхностей и снижения количества дефектов.
Однако до промышленного применения технологии ещё предстоит решить несколько задач. Одна из них связана с палладием: этот металл дорог, поэтому стоимость и ресурс мембраны будут важными параметрами будущих установок. Исследователи уже работают над уменьшением количества палладия в мембране, масштабированием системы и расширением метода на другие реакции дегидрогенизации.
Таким образом, разработка MIT предлагает изменить саму логику получения водорода из химического носителя: вместо высокотемпературного разложения с последующей очисткой исследователи объединяют выделение, разделение и концентрирование водорода в одном электрохимическом процессе. Именно это сочетание может оказаться важнее самого снижения температуры — оно потенциально сокращает число стадий установки и связанные с ними энергозатраты.
Источник: https://news.mit.edu/2026/electrochemical-approach-turns-ammonia-into-pure-hydrogen-0909
Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
