Катализаторы ускоряют химические реакции, не расходуясь сами по себе. Большое количество реакций в природе и промышленности работает только благодаря их помощи. Например, катализаторы используются примерно в 80 процентах всех процессов химического производства, а также играют важную роль в технологиях химического хранения водорода.

В большинстве случаев задействованы так называемые гетерогенные катализаторы, которые находятся в другом агрегатном состоянии, чем фактические партнеры по реакции. Твердые, пористые катализаторы здесь особенно важны, поскольку они могут быть очень хорошо отделены от жидких или газообразных продуктов реакции.

Исследователи из HI ERN и FAU теперь обнаружили: производительность этого типа катализаторов для реакций газообразования может быть заметно увеличена, если пузырьки газа особенно легко образуются в порах катализатора.

"Этот дополнительный фактор, который в значительной степени определяет скорость реакции, ранее был неизвестен. До сих пор предполагалось, что скорость реакции определяется только химической реакцией на поверхности или транспортом молекул к активным центрам катализатора", - объясняет профессор д-р Питер Вассершайд, директор Института Гельмгольца Эрланген-Нюрнберг, филиала Исследовательского центра Юлиха, и руководитель Кафедра технологии химических реакций в FAU.

Повышение производительности в 50 раз

Открытие было сделано с использованием реакции, которая может сыграть ключевую роль в транспортировке зеленого водорода в будущем. С этой целью водород хранится и транспортируется в связанном виде в жидкой среде-носителе - в данном случае LOHC ("жидкий органический водородный носитель") - и затем высвобождается из него.

Эта технология считается чрезвычайно безопасной и простой в обращении. Чем быстрее водород может быть выделен из среды-носителя с помощью катализатора, тем более компактную и мощную технологию можно использовать.

Исследователи из HI ERN и FAU смогли показать, что в 50 раз больше водорода выделяется из среды-носителя в единицу времени при тех же условиях, когда в процессе индуцируется образование газовых пузырьков в порах катализатора.

Причина огромной разницы: "Обычно система производит только растворенный водород во время каталитического выделения водорода. Затем в жидкой фазе вокруг активных центров катализатора быстро наступает насыщение", - говорит Питер Вассершайд.

С другой стороны, пузырьки в порах катализатора действуют как крошечные насосы. Они помогают удалить выделяющийся водород. "Как только в поре катализатора образуется пузырь, растущий пузырь собирает образовавшийся водород. Когда пузырь затем отделяется в окружающую жидкость, загруженный водородный носитель втекает обратно в пору, и процесс начинается сначала", - объясняет принцип Питер Вассершайд.

Образование пузырьков, известное как зарождение, также может быть вызвано искусственно, например, путем химической модификации поверхности катализатора или механическим воздействием. Полученные результаты проливают новый свет на факторы, ограничивающие производительность гетерогенного катализа, которые имеют очень большое значение, особенно для зеленой водородной экономики будущего.