Исследование новых материалов-носителей жидкого органического водорода в качестве более безопасного и портативного источника энергии.

Чтобы уменьшить выбросы CO₂ выбросов, срочно необходим энергетический переход от энергетической системы, основанной на углероде, к более устойчивой системе, основанной на водородной энергетике. Однако природа водорода (например, низкая объемная плотность, воспламеняемость и охрупчивание) делает его использование в качестве широко распространенного источника энергии чрезвычайно сложным. Поэтому ключом к созданию общества, основанного на водороде, является безопасное и эффективное использование водорода.

Один из способов сделать это — использовать технологию жидкого органического носителя водорода (LOHC), которая позволяет безопасно хранить и транспортировать водород в больших количествах посредством химической связи.

Технология LOHC предлагает решение, позволяющее хранить водород в жидких органических соединениях, которые остаются стабильными при температуре и давлении окружающей среды, подобно бензину или дизельному топливу. Эта технология также оптимизирует транспортировку водорода за счет использования существующей инфраструктуры ископаемого топлива, тем самым снижая затраты, связанные с распределением водорода, по сравнению с другими методами хранения водорода.

Значительные усилия были направлены на разработку катализаторов и новых конструкций реакторов для повышения эффективности дегидрирования и гидрирования систем на основе LOHC. Однако наиболее эффективный подход заключается в устранении ограничений, присущих самому материалу LOHC.

Ключ к технологии LOHC лежит в разработке подходящих органических соединений для хранения водорода. Характеристики материалов LOHC имеют решающее значение для определения ключевых факторов, таких как емкость хранения водорода, кинетика реакции, потребление энергии во время процесса дегидрирования/гидрирования и обратимость.

В предыдущих исследованиях акцент на обеспечении емкости хранения водорода (>6 мас.%) и физико-химических свойств (широкий диапазон температур жидкости от минус 300°C) для ароматических носителей LOHC привел к отсутствию разнообразия материалов, что ограничивало потенциал улучшения характеристик. .

Исследовательская группа под руководством доктора Джихуна Пака из Корейского научно-исследовательского института химической технологии (KRICT) разработала передовые материалы LOHC и активно изучает новые соединения LOHC, чтобы увеличить разнообразие материалов LOHC и улучшить их характеристики.

Результаты опубликованы в журнале Химико-технологический журнал.

Команда сосредоточилась на оптимизации материалов LOHC с помощью подхода молекулярной инженерии, перепроектируя их молекулярную структуру, чтобы преодолеть ее ограничения. В 2018 году исследовательская группа разработала новый материал LOHC (MBP, 2-(n-метилбензил)пиридин), который повышает эффективность дегидрирования за счет добавления атома N в бензольное кольцо бензилтолуола.

Однако благодаря сочетанию экспериментальных и теоретических исследований исследовательская группа сделала революционное открытие: метильные группы (-CH₃), ранее считавшийся малоэффективным, сыграл решающую роль в улучшении характеристик материала LOHC. В отличие от предыдущих материалов LOHC (MBP), которые существовали в виде смесей изомеров, исследовательская группа предложила новый метод синтеза чистого материала LOHC (2-бензил-6-метилпиридин, BMP) с точным контролем положения метильной группы.

Новые материалы LOHC (BMP) увеличили скорость хранения и выделения водорода на 206% и 49,4% соответственно по сравнению с материалами MBP.

Кроме того, исследовательская группа разработала нового кандидата LOHC, бензил-метилбензилбензол (BMB), путем перегруппировки метильной группы дибензилтолуола, одного из наиболее многообещающих коммерческих материалов LOHC, чтобы преодолеть ограничения кинетики медленных реакций из-за его химической структуры. .

БМБ демонстрирует скорость гидрирования на 150% выше, чем ДБТ при 150°С, и выделяет на 170% больше водорода по сравнению с ДБТ при 270°С. Кроме того, исследовательская группа раскрыла механизм дегидрирования, с помощью которого N-гетероциклические материалы LOHC взаимодействуют с различными активными металлами в катализаторах, чтобы облегчить извлечение водорода.

Доктор Джихун Пак сказал: «Наши исследования сосредоточены на оптимизации структур LOHC, обеспечивая точный контроль над размещением метильных групп в качестве функциональных групп в материале LOHC, открывая новый потенциал для систем LOHC. Ожидается, что эти результаты повлияют на разработку следующих -материалы для хранения водорода, прокладывающие путь к более безопасному и эффективному обществу, основанному на водородной энергетике».