В РХТУ предложили способ эффективного получения тяжелой воды

Российские ученые из РХТУ им. Д. И. Менделеева и АО ВНИИНМ им. А. А. Бочвара нашли способ получения тяжелой воды. Это решает проблему дефицита данного вещества.

До этого в России никто не производил тяжелую воду, несмотря на ее стратегическую значимость и истощение запасов. Ученые научились управлять свойствами платинового катализатора, необходимого для производства тяжелой воды.

Впервые получать тяжелую воду научились еще в начале XX века с помощью электролиза воды. Этот простой, но энергозатратный метод со временем сошел на нет. Сегодня одним из самых эффективных методов считается использование реакции химического изотопного обмена, в которой атомы дейтерия из одного соединения меняются местами с обычными атомами водорода другого соединения.

Большая часть тяжелой воды в мире была получена по методу изотопного обмена в системе вода-сероводород. Однако из-за экологических проблем, связанных с высокой токсичностью сероводорода, большинство таких производств пришлось закрыть. Сейчас же для получения тяжелой воды рассматривается система вода-водород.
Этот процесс взаимодействия воды и водорода происходит в больших колоннах: из водорода извлекают дейтерий, которым обогащают воду. Действие повторяют несколько раз, пока обычная вода не превратится в тяжелую. Ключевая стадия этого процесса невозможна без платинового гидрофобного катализатора. Его можно получить двумя способами: либо взять уже гидрофобный по своей природе носитель и пропитать его раствором платины, либо использовать изначально гидрофильный носитель, поверхность которого нужно покрыть гидрофобным веществом, а уже потом нанести платину. Выбор типа катализатора зависит от производительности разделительной колонны и условий ее работы.

“К гидрофобизированному катализатору предъявляются противоречивые требования. С одной стороны, у него должна быть гидрофобная поверхность, иначе в процессе эксплуатации катализатора в колонне он покроется пленкой воды и реакция на нем сразу перестанет идти. С другой стороны, нам необходимо нанести платину, которая собственно и катализирует реакцию изотопного обмена, но в процессе нанесения платины мы неизбежно нарушаем гидрофобность этой поверхности”, — рассказывает один из авторов работы, доцент РХТУ, Алексей Букин. “Поиску этого компромисса и была посвящена наша работа. Мы меняли условия нанесения платинового покрытия, и смотрели, как с помощью них можно управлять свойствами катализатора, чтобы в конечном счете сделать его более совершенным”.

Заглянуть под оболочку

В новой работе исследователи использовали в качестве носителя катализатора сферические гранулы оксида алюминия. Их поверхность изначально гидрофильна. На эту поверхность наносили платину, используя гексахлорплатиновую кислоту с добавками других кислот — соляной или щавелевой.

Затем ученые оценивали гидрофобность полученных катализаторов и их каталитические свойства. Гидрофобность поверхности гранул всех трех образцов оказалась примерно идентична, однако же их каталитические свойства отличались. Лучше всего показал себя катализатор, нанесенный из чистого раствора гексахлорплатиновой кислоты. Добавки других кислот ухудшали свойства образцов.

Ученые изучили состав гранул катализатора, чтобы объяснить такое поведения. Оказалось, что при движении от ядра гранул к поверхности уменьшалось содержание кремния во всех образцах. Но характер распределения платины внутри катализатора не был постоянным — в одних образцах платина выходила на поверхность, а в других она концентрировалась в ядрах гранул. Такие различия в структуре гранул напрямую коррелировали с их каталитическими свойствами. “В этой работе мы предложили инструмент для того, чтобы наблюдать, как распределяется платина внутри катализатора, и одновременно контролировать гидрофобность покрытия. Теперь, вооруженные этими методами, мы можем разрабатывать новые, более эффективные катализаторы”, — рассказывает Алексей Букин. “Это заметно расширяет диапазон и область применения гидрофобизированных катализаторов изотопного обмена”.

Исследователи утверждают, что получение тяжелой воды на предприятиях по промышленному производству водорода повысит конкурентность системы вода-водород. Такими предприятиями могут стать атомные электростанции — на них планируется производить много водорода, из которого тут же можно будет получать тяжелую воду.

Результаты работы опубликованы в журнале Fusion Engineering and Design, а новые катализаторы, по словам ученых, хорошо подходят не только для синтеза тяжелой воды, но и, например, для аварийного окисления водорода на атомных электростанциях.

• #Химия