El descubrimiento realizado sobre el proceso Fischer Tropsch podría ayudar a mejorar la producción de combustible

Investigadores de la Universidad Estatal de Washington descubrieron oscilaciones autosostenidas hasta ahora desconocidas en el proceso de Fischer Tropsch. Descubrieron que, a diferencia de muchas reacciones catalíticas que tienen un estado estacionario, esta reacción avanza y retrocede periódicamente desde un estado de actividad alta a uno bajo. El descubrimiento, publicado en Science, significa que estos estados oscilatorios bien controlados podrían usarse en el futuro para mejorar la velocidad de reacción y los rendimientos de los productos deseados.

"Por lo general, las oscilaciones de velocidad con grandes variaciones de temperatura no son deseadas en la industria química debido a preocupaciones de seguridad", dijo el autor correspondiente Norbert Kruse, profesor distinguido de Voiland en la Escuela de Ingeniería Química y Bioingeniería Gene y Linda Voiland de WSU. "En el presente caso, las oscilaciones están bajo control y mecanísticamente se entienden bien. Con tal base de comprensión, tanto experimental como teóricamente, el enfoque en investigación y desarrollo puede ser completamente diferente, realmente se tiene un enfoque basado en el conocimiento, y esto ayudarnos enormemente."

Aunque el proceso de Fischer Tropsch se utiliza comúnmente para la producción de combustibles y productos químicos, los investigadores tienen poco conocimiento de cómo funciona el complejo proceso de conversión catalítica. El proceso utiliza un catalizador para convertir dos moléculas simples, hidrógeno y monóxido de carbono, en largas cadenas de moléculas, los hidrocarburos que se utilizan ampliamente en la vida diaria.

Si bien durante más de un siglo se ha utilizado un enfoque de prueba y error en la investigación y el desarrollo de las industrias química y de combustibles, los investigadores ahora podrán diseñar catalizadores de manera más intencionada y ajustar la reacción para provocar estados oscilatorios que podrían mejorar la capacidad catalítica. actuación.

Los investigadores encontraron por primera vez las oscilaciones por accidente después de que el estudiante graduado Rui Zhang se acercara a Kruse con un problema: no podía estabilizar la temperatura en su reacción. Mientras lo estudiaban juntos, descubrieron las sorprendentes oscilaciones.

"Eso fue muy divertido", dijo Kruse. "Me lo mostró y le dije: 'Rui, felicidades, ¡tienes oscilaciones! Y luego desarrollamos esta historia cada vez más".

Los investigadores no sólo descubrieron que la reacción desarrolla estados de reacción oscilatorios, sino también por qué lo hace. Es decir, a medida que la temperatura de la reacción aumenta debido a su producción de calor, los gases reactivos pierden contacto con la superficie del catalizador y su reacción se ralentiza, lo que reduce la temperatura. Una vez que la temperatura es suficientemente baja, la concentración de los gases reactivos en la superficie del catalizador aumenta y la reacción vuelve a acelerarse. En consecuencia, la temperatura aumenta para cerrar el ciclo.

Para el estudio, los investigadores demostraron la reacción en un laboratorio empleando un catalizador de cobalto de uso frecuente, condicionado añadiendo óxido de cerio, y luego modelaron cómo funcionaba. El coautor Pierre Gaspard, de la Universidad Libre de Bruselas, desarrolló un esquema de reacción y, en teoría, impuso temperaturas cambiantes periódicamente para replicar las velocidades y selectividades experimentales de la reacción.

"Es tan hermoso que pudimos modelarlo teóricamente", dijo el autor correspondiente Yong Wang, profesor Regents en la Escuela Voiland de WSU, quien también coasesoró a Zhang. "Los datos teóricos y experimentales casi coincidieron."

Kruse lleva más de 30 años trabajando en reacciones oscilatorias. El descubrimiento del comportamiento oscilatorio en la reacción de Fischer Tropsch fue muy sorprendente porque la reacción es mecánicamente extremadamente complicada.

"A veces nos sentimos muy frustrados en nuestra investigación porque las cosas no van como uno cree que deberían, pero luego hay momentos que no se pueden describir", dijo Kruse. "Es muy gratificante, pero 'gratificante' es un término débil". expresión de la emoción de haber tenido este fantástico avance".

El trabajo fue apoyado por el Chambroad Chemical Industry Research Institute Co., Ltd., la Fundación Nacional de Ciencias y el programa de Ciencias de Catálisis de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía.