Pridobivanje čistega vodika in uporabnih ogljikovih materialov s pomočjo krekinga metana v indukcijsko ogrevanem reaktorju s fluidiziranim slojem

Vodik bo v prihodnosti igral pomembno vlogo kot energijski vektor pri prehodu na nizkoogljično družbo in vodikovo ekonomijo. Trenutno 96 % vsega proizvedenega vodika prihaja iz fosilnih virov. Velika večina vodika se proizvaja s parnim reformingom metana pri čemer nastajajo znatne količine ogljikovega dioksida. Ena od brez emisijskih alternativ temu industrijskemu procesu je kreking oziroma piroliza metana. Gre za razpad metana na visoki temperaturi (600 – 1100 °C) pri čemer nastajata vodik in ogljik. Dodatna prednost tega pristopa je enostavnost izolacije vodika, saj pri postopku ne nastajajo nobeni drugi plini v nasprotju s parnim reformingom, kjer nastajata ogljikov monoksid in dioksid. Z uporabo ustreznega katalizatorja, je možno pridobiti bolj uporabne oblike ogljikovih materialov. Odvisno od katalizatorja lahko na primer nastajajo enostenske in večstenske ogljikove nanocevke, grafit, amorfni ogljik, itd. Ogljikovi nanomateriali so lahko uporabni pri izdelavi baterij, grafit pa se lahko uporablja pri izdelavi materialov uporabnih za konstrukcijo visokotemperaturnih peči. Pri običajnem gretju, kjer se reaktor za kreking metana greje od zunaj, se mora toplota prenesti proti notranjosti katalizatorskega sloja. Gretje s pomočjo elektromagnetne indukcije generira toploto natanko tam kjer je potrebna, to je na delcih katalizatorja. Aktivni katalizatorji za kreking metana večkrat vsebujejo Fe in Co, ki sta feromagnetna elementa in ju je mogoče segrevati s pomočjo električne indukcije. V predlaganem projektu bo uporabljeno induktivno gretje za elektrifikacijo procesa krekinga metana in za povečanje njegove učinkovitosti. V ta namen bodo pripravljeni ustrezni katalizatorji s feromagnetnimi kovinami z dovolj visoko Curiejevo temperaturo, ki bodo omogočali učinkovito induktivno gretje pri temperaturah razpada metana. Induktivno gretje je namreč učinkoviteje v kovinah, ki imajo poleg električne prevodnosti tudi feromagnetne lastnosti. Za odkrivanje potencialno ustreznih materialov za induktivno gretje, ki bodo hkrati aktivni tudi za kreking metana bodo narejeni izračuni s pomočjo teorije gostotnega funkcionala (ang. density functional theory, DFT). S to metodo bo na atomski skali raziskan tudi reakcijski mehanizem razpada metana na izbranih katalizatorjih. Tako bo možno razumeti vse elementarne korake reakcije krekinga metana na aktivnih mestih katalizatorja. Postavljen bo več nivojski matematični model, ki bo omogočal razumevanje kinetike reakcij na atomskem nivoju in hkrati opisal vse kemijske in fizikalne procese na nivoju reaktorja. Pripravljeni katalizatorji bodo eksperimentalno ovrednoteni v reaktorju s strnjenim slojem, ki bo omogočal gretje z elektromagnetno indukcijo. Rezultati laboratorijskih poskusov bodo uporabljeni za validacijo matematičnega modela. Nadalje bo model uporabljen za razvoj novega induktivno gretega reaktorja s fluidiziranim slojem. Zaradi fluidizacije katalizatorja in idealnega mešanja bo preprečeno mašenje reaktorja zaradi odlaganja ogljika med delci katalizatorja. Na katalizatorju bodo nastajali ogljikovi (nano)materiali, ki se bodo med obratovanjem ločili od katalizatorja zaradi fluidizacije oziroma trkov med delci. V okviru projekta bodo tako razviti novi katalizatorji, ki bodo primerni za segrevanje z elektromagnetno indukcijo in aktivni za kreking metana. Razumevanje procesa bo poglobljeno s pomočjo DFT in več nivojskega modeliranja. Načrtovan in izdelan bo reaktor s fluidiziranim slojem, ki bo ob uporabi ustreznega materiala v fluidiziranem sloju in gretja z elektromagnetno indukcijo omogočal doseganje visokih temperatur in učinkovito pretvorbo metana v vodik in ogljikove nanomateriale.