Ученые выявили материал, перспективный для экологичного развития углеводородной энергетики

11:31, 21 января 2022

Он позволит снизить урон окружающей среде при сжигании ископаемого топлива

Исследование свойств манганита ученые проводили под руководством Алексея Сунцова. Фото: Владимир Анисимов.

Сотрудники Института химии твердого тела Уральского отделения РАН и Уральского федерального университета обнаружили новое вещество для применения в новейшей экологичной технологии сжигания ископаемого топлива. Данная технология позволяет, оставаясь в рамках углеводородной энергетики, существенно снижать нагрузку на окружающую среду. Статью о проведенной работе исследователи опубликовали в Materials research bulletin.

Речь о технологии химического циклирования с кислородной аккумуляцией — так называемых CLOU-процессах (Chemical looping with oxygen uncoupling). В сравнении с традиционными технологиями сжигания топлива на теплоэлектростанциях их неоспоримое преимущество в том, что кислород поступает не из воздуха, а из твердых оксидов переходных металлов. В этом случае продукты сгорания легко разделяются, а образующийся при сжигании углеводородов углекислый газ утилизируют, закачивая в резервуары для хранения или направляя на промышленные цели.

Необходимые для CLOU-процессов свойства оксидов — уметь с высокой скоростью аккумулировать значительное, до 20% собственной массы, количество молекулярного кислорода, затем выделять его и после этого регенерироваться, сохраняя неизменным свой химический состав в циклах окисления/восстановления. В этом случае сжигание топлива можно проводить без потерь на протяжении длительного времени.

CLOU-процессы — новое слово в науке и технологиях, и научный мир занят поиском подходящих оксидных материалов. Группа ученых из ИХТТ УрО РАН и УрФУ исследовала в этом качестве модифицированный кобальтом манганит празеодима-бария (PrBaMn2O6).

«Известно, что при повышенных температурах манганиты способны активно обмениваться кислородом с окружающей средой, находясь в непосредственном контакте с углеводородами. Представьте себе губку, которая сперва впитывает большое количество воды и затем, при сжатии, выделяет ее обратно. При осуществлении CLOU-процессов, по сути, происходит то же самое: манганиты играют роль губки, выделяя большое количество кислорода в реакциях горения, а затем поглощают его обратно при взаимодействии с воздухом. Однако исходный (не модифицированный) манганит постепенно деградирует при насыщении кислородом, из-за этого сокращается его кислородная емкость. Наша группа обнаружила, что введение атомов кобальта в оксид PrBaMn2O6 стабилизирует его структуру, она сохраняется при изменениях температуры и состава газовой среды», — объясняет выбор объекта изучения Алексей Сунцов, руководитель исследований и соавтор статьи, ведущий научный сотрудник ИХТТ УрО РАН, доцент института новых материалов и технологий УрФУ.

Другими словами, этот материал не разрушается ни при окислении, ни при восстановлении. На этом основании химики впервые выдвинули предположение, что он может быть пригоден для применения в CLOU-процессах, и проверили свою гипотезу.

Ученые детально изучили фундаментальные и функциональные характеристики манганита, модифицированного кобальтом. Используя методы математического моделирования, подкрепленные соответствующими экспериментальными результатами, авторы показали, что кислород из оксида выделяется неравномерно. Как оказалось, добавка кобальта активирует некоторые области материала, благодаря этому выход кислорода из него значительно облегчается.

«Заменив часть атомов марганца на кобальт, мы увеличили общее количество кислорода в оксиде, которое доступно для быстрого выделения при сжигании углеводородов. Это привело к рекордному наращиванию кислородной емкости материала, объемов и скорости выделения кислорода в сравнении с исходным манганитом. Таким образом, мы получили подтверждение того, что исследованные составы обладают отличными перспективами использования в CLOU-процессах. Кроме того, проведенная работа и полученные результаты важны для дизайна новых материалов: появляется понимание того, как можно направленно модифицировать их химический состав, чтобы увеличить кислородную емкость и скорость кислородного обмена», — комментирует Алексей Сунцов.

Отметим, что данный исследовательский проект поддержал Российский научный фонд (грант № 19-79-10147).

Справка

Традиционно при сжигании углеводородов — природного газа, мазута и угля — на теплоэлектростанциях в качестве окислителя используется воздух. Однако на три четверти он состоит из азота, который в результате процессов горения образует токсичные оксиды — они, в свою очередь, концентрируются в продуктах реакции вместе с углекислым газом. Полученная смесь плохо поддается сепарации и зачастую просто выбрасывается в атмосферу. Накапливаясь там, дополнительные объемы углекислого газа усугубляют парниковый эффект и провоцируют дальнейшее развитие глобального потепления. Это особенно опасно в связи с непрерывным возрастанием энергопотребления человечества ввиду взрывного роста населения планеты и кардинального повышения стандартов жизни. При этом тепловые электростанции обеспечивают свыше 60% мирового производства электрической энергии, и в ближайшие годы их вклад в энергообеспечение человечества сильно не изменится. А доля органического топлива — основного загрязнителя биосферы — составляет в тепло- и энергогенерации более 90%.

Технология химического циклирования с кислородной аккумуляцией (CLOU-процессы) является перспективной экологичной альтернативой традиционным способам сжигания углеводородного топлива.