Die Entdeckung des Fischer-Tropsch-Prozesses könnte zur Verbesserung der Kraftstoffproduktion beitragen.

Forscher der Washington State University entdeckten bisher unbekannte selbsterhaltende Schwingungen im Fischer-Tropsch-Prozess. Sie fanden heraus, dass sich diese Reaktion im Gegensatz zu vielen katalytischen Reaktionen, die einen stationären Zustand aufweisen, periodisch von einem Zustand hoher zu einem Zustand niedriger Aktivität hin und her bewegt. Die in Science veröffentlichte Entdeckung bedeutet, dass diese gut kontrollierten Oszillationszustände in Zukunft genutzt werden könnten, um die Reaktionsgeschwindigkeit und die Ausbeute der gewünschten Produkte zu steigern.

„Normalerweise sind Geschwindigkeitsschwankungen mit großen Temperaturschwankungen in der chemischen Industrie aus Sicherheitsgründen unerwünscht“, sagte der korrespondierende Autor Norbert Kruse, Voiland Distinguished Professor an der Gene and Linda Voiland School of Chemical Engineering and Bioengineering der WSU. „Im vorliegenden Fall sind die Schwingungen unter Kontrolle und mechanistisch gut verstanden. Mit einer solchen Verständnisbasis, sowohl experimentell als auch theoretisch, kann der Ansatz in Forschung und Entwicklung völlig anders sein, man hat wirklich einen wissensbasierten Ansatz, und das wird.“ helfen uns enorm.“

Obwohl das Fischer-Tropsch-Verfahren häufig für die Kraftstoff- und Chemikalienproduktion eingesetzt wird, haben Forscher wenig Verständnis dafür, wie der komplexe katalytische Umwandlungsprozess funktioniert. Bei dem Verfahren werden zwei einfache Moleküle, Wasserstoff und Kohlenmonoxid, mithilfe eines Katalysators in lange Molekülketten umgewandelt, die Kohlenwasserstoffe, die im täglichen Leben häufig verwendet werden.

Während in der Forschung und Entwicklung in der Kraftstoff- und Chemieindustrie seit mehr als einem Jahrhundert ein Versuch-und-Irrtum-Ansatz verwendet wird, können Forscher nun Katalysatoren gezielter entwerfen und die Reaktion so abstimmen, dass Oszillationszustände hervorgerufen werden, die den Katalysator verbessern könnten Leistung.

Die Forscher stießen erstmals zufällig auf die Schwingungen, nachdem der Doktorand Rui Zhang mit einem Problem an Kruse herangetreten war: Er war nicht in der Lage, die Temperatur in seiner Reaktion zu stabilisieren. Als sie es gemeinsam untersuchten, entdeckten sie die überraschenden Schwingungen.

„Das war ziemlich lustig“, sagte Kruse. „Er zeigte es mir und ich sagte: ‚Rui, herzlichen Glückwunsch, du hast Schwingungen! Und dann entwickelten wir diese Geschichte immer weiter.“

Die Forscher entdeckten nicht nur, dass die Reaktion oszillierende Reaktionszustände entwickelt, sondern auch, warum dies der Fall ist. Das heißt, wenn die Temperatur der Reaktion aufgrund der Wärmeerzeugung ansteigt, verlieren die Reaktionsgase den Kontakt mit der Katalysatoroberfläche und ihre Reaktion verlangsamt sich, wodurch die Temperatur sinkt. Sobald die Temperatur ausreichend niedrig ist, steigt die Konzentration der Reaktionsgase auf der Katalysatoroberfläche und die Reaktion nimmt wieder Fahrt auf. Folglich steigt die Temperatur, um den Kreislauf zu schließen.

Für die Studie demonstrierten die Forscher die Reaktion in einem Labor mit einem häufig verwendeten Kobaltkatalysator, der durch Zugabe von Ceroxid konditioniert wurde, und modellierten anschließend, wie sie funktionierte. Co-Autor Pierre Gaspard von der Université Libre de Bruxelles entwickelte ein Reaktionsschema und führte theoretisch periodisch wechselnde Temperaturen ein, um die experimentellen Geschwindigkeiten und Selektivitäten der Reaktion zu reproduzieren.

„Es ist so schön, dass wir das theoretisch modellieren konnten“, sagte der korrespondierende Autor Yong Wang, Regents Professor an der Voiland School der WSU, der Zhang auch mitberiet. „Die theoretischen und experimentellen Daten stimmten nahezu überein.“

Kruse beschäftigt sich seit mehr als 30 Jahren mit oszillatorischen Reaktionen. Die Entdeckung des Oszillationsverhaltens bei der Fischer-Tropsch-Reaktion war sehr überraschend, da die Reaktion mechanistisch äußerst kompliziert ist.

„Bei unserer Forschung sind wir manchmal sehr frustriert, weil die Dinge nicht so laufen, wie man es sich vorstellt, aber dann gibt es Momente, die man nicht beschreiben kann“, sagte Kruse. „Es ist so lohnend, aber ‚lohnend‘ ist eine Schwäche.“ Ausdruck der Freude über diesen fantastischen Durchbruch.“

Die Arbeit wurde vom Chambroad Chemical Industry Research Institute Co., Ltd., der National Science Foundation und dem Basic Energy Sciences Catalysis Science-Programm des Energieministeriums unterstützt.