КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер 22-23-20038

НазваниеПолучение водорода из природного газа под действием лазерного излучения

РуководительТверьянович Юрий Станиславович, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет", г Санкт-Петербург

Период выполнения при поддержке РНФ

2022 г. - 2023 г.

Конкурс№65 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс).

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-407 - Фундаментальные проблемы химической технологии

Ключевые словаВодородная энергетика, природный газ, лазерный пиролиз, лазерный фотолиз, экологически нейтральный, декарбонизация, метан, водород, лазерная спектроскопия.

Код ГРНТИ31.15.29

СтатусУспешно завершен

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Проект направлен на решение двух взаимосвязанных задач. Первая задача: разработка лазерно-плазменного метода, позволяющего, при использовании относительно компактного оборудования, разлагать природный газ на водород и твердый углерод без образования парниковых газов. Это не только позволит продолжить использование природного газа в качестве ископаемого источника энергии при соблюдении экологической нейтральности, но и продолжить эксплуатацию существующих газотранспортных сетей без необходимости их модернизации для транспортировки водорода. Последнее обусловлено компактностью оборудования и, соответственно, возможностью его расположения в конце газотранспортной сети, в непосредственной близости от потребителя. Благодаря этому одновременно будут минимизированы расходы на разработку и создание системы доставки водорода до потребителя и связанные с этим экологические, экономические риски и риски в области обеспечения безопасности. Вторая задача – исследование механизмов и скоростей химических процессов при фотолизе/пиролизе метана посредством изучения поведения когерентных ансамблей молекул методом фемтосекундной спектроскопии с временным разрешением. Результаты этого исследования будут полезны не только для решения первой задачи, но и целого ряда других проблем. Так, например, в последнее десятилетие возобновился интерес, связанный с возможностью использования метана в качестве реактивного топлива для гиперзвуковых аппаратов. В этом контексте необходимо установить механизм и кинетические параметры химического поведения топлива во время его пиролиза, чтобы использовались их в моделировании гидродинамических процессов. Учитывая, что скорость подобных реакций, как правило, лежит в субпикосекундном диапазоне, методы фемтосекундной спектроскопии становятся безальтернативными для решения подобных задач.

Ожидаемые результаты
Будет найден оптимальный режим формирования лазерной плазмы в природном газе. При возникновении лазерной плазмы оптическое поглощение возрастает в широком диапазоне длин волн. На первом этапе происходит уширение полос фононного поглощения, что облегчает последующие многофотонные процессы диссоциации и, возможно, ионизации. Эти процессы будут изучены методом спектроскопии поглощения с временным разрешением. Эффективность конверсии природного газа в водород будет исследована в зависимости от наличия катализаторов в виде продуктов лазерной абляции металлических мишеней. Эффективность и глубина (доля водорода среди продуктов конверсии) конверсии природного газа зависит не только от интенсивности и эффективности воздействия лазерной плазмы, но и от интенсивности обратного процесса – рекомбинации возбужденных продуктов конверсии. Этот нежелательный процесс можно замедлить, разбавляя природный газ инертным газом. Молекулы инертного газа будут не только пространственно разделять молекулы или их фрагменты потенциально способные соединиться, но и способствовать релаксации их возбужденных состояний, снижая тем самым реакционную способность. Эффективность релаксации возбужденных состояний будет определяться соотношением масс продуктов конверсии и атомов инертного газа. Так как продукты конверсии имеют различные молекулярные массы и парциальные концентрации, предсказать оптимальную для эффективного гашения возбуждения продуктов конверсии метана атомную массу инертного газа заранее невозможно. Будет определена оптимальная атомная масса инертного газа. Лазерная плазма обладает высоким коэффициентом оптического поглощения в широком интервале длин волн и, следовательно, спектральный состав излучения, поддерживающего лазерную плазму, вряд ли будет оказывать существенное влияние. Поэтому будет проведено определение критического значения плотности мощности лазерного излучения, поддерживающего лазерную плазму. Вместе с тем, не следует исключать роль многофотонных процессов, вероятность которых будет расти с увеличением энергии квантов. Поэтому будет проведено сравнение величины критической плотности излучения для нескольких дискретных значений длины волны лазерного излучения. Для этих же длин волн будет определена зависимость глубины конверсии природного газа от концентрации инертного газа, выбранного по результатам исследований первого года выполнения проекта. Будут определены характеристические времена релаксации возбужденных молекул метана и продуктов его конверсии.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---