Odkrycie dotyczące procesu Fischera Tropscha może pomóc w ulepszeniu produkcji paliw

Naukowcy z Washington State University odkryli nieznane wcześniej samopodtrzymujące się oscylacje w procesie Fischera Tropscha. Odkryli, że w przeciwieństwie do wielu reakcji katalitycznych, które mają jeden stan ustalony, reakcja ta okresowo przechodzi od stanu wysokiej do niskiej aktywności. Odkrycie, o którym doniesiono w czasopiśmie Science, oznacza, że ​​te dobrze kontrolowane stany oscylacyjne mogą zostać wykorzystane w przyszłości do zwiększenia szybkości reakcji i wydajności pożądanych produktów.

„Zazwyczaj oscylacje prędkości przy dużych wahaniach temperatury są niepożądane w przemyśle chemicznym ze względów bezpieczeństwa” – powiedział korespondent Norbert Kruse, profesor Voiland Distinguished Professor w Gene and Linda Voiland School of Chemical Engineering and Bioengineering na WSU. „W tym przypadku oscylacje są pod kontrolą i dobrze poznane pod względem mechanicznym. Przy takiej podstawie zrozumienia, zarówno eksperymentalnego, jak i teoretycznego, podejście do badań i rozwoju może być zupełnie inne, naprawdę mamy podejście oparte na wiedzy, a to będzie bardzo nam pomóżcie.”

Chociaż proces Fischera Tropscha jest powszechnie stosowany w produkcji paliw i środków chemicznych, badacze nie mieli zbyt dużej wiedzy na temat działania złożonego procesu konwersji katalitycznej. W procesie tym wykorzystuje się katalizator do przekształcenia dwóch prostych cząsteczek, wodoru i tlenku węgla, w długie łańcuchy cząsteczek – węglowodory powszechnie stosowane w życiu codziennym.

Chociaż od ponad stu lat w badaniach i rozwoju w przemyśle paliwowym i chemicznym stosuje się metodę prób i błędów, badacze będą teraz mogli projektować katalizatory w sposób bardziej celowy i dostrajać reakcję w celu wywołania stanów oscylacyjnych, które mogłyby poprawić właściwości katalityczne wydajność.

Naukowcy po raz pierwszy natknęli się na oscylacje przez przypadek, gdy student Rui Zhang zwrócił się do Kruse z problemem: nie był w stanie ustabilizować temperatury w swojej reakcji. Kiedy wspólnie to badali, odkryli zaskakujące oscylacje.

„To było całkiem zabawne” – powiedział Kruse. „Pokazał mi to, a ja powiedziałem: «Rui, gratulacje, masz oscylacje! A potem coraz bardziej rozwijaliśmy tę historię».

Naukowcy nie tylko odkryli, że w reakcji powstają stany oscylacyjne, ale także odkryli, dlaczego tak się dzieje. Oznacza to, że gdy temperatura reakcji wzrasta w wyniku wytwarzania ciepła, gazy reagentów tracą kontakt z powierzchnią katalizatora, a ich reakcja zwalnia, co powoduje obniżenie temperatury. Gdy temperatura jest wystarczająco niska, stężenie gazów reagentów na powierzchni katalizatora wzrasta i reakcja ponownie nabiera tempa. W rezultacie temperatura wzrasta, aby zamknąć cykl.

Na potrzeby badania naukowcy zademonstrowali tę reakcję w laboratorium, w którym wykorzystano często używany katalizator kobaltowy, kondycjonowaną przez dodanie tlenku ceru, a następnie modelowali jej działanie. Współautor Pierre Gaspard z Université Libre de Bruxelles opracował schemat reakcji i teoretycznie narzucił okresowo zmieniające się temperatury, aby odtworzyć eksperymentalne szybkości i selektywność reakcji.

„To jest tak piękne, że mogliśmy to teoretycznie modelować” – powiedział korespondent Yong Wang, profesor regentów w szkole Voiland School na WSU, który również był współdoradcą Zhanga. „Dane teoretyczne i eksperymentalne prawie się pokrywały”.

Kruse pracuje nad reakcjami oscylacyjnymi od ponad 30 lat. Odkrycie oscylacyjnego zachowania reakcji Fischera Tropscha było bardzo zaskakujące, ponieważ reakcja jest niezwykle skomplikowana mechanicznie.

„Czasami podczas naszych badań odczuwamy dużą frustrację, ponieważ sprawy nie układają się tak, jak myślisz, że powinny, ale są też chwile, których nie da się opisać” – powiedział Kruse. „To niezwykle satysfakcjonujące, ale „nagradzanie” to słabe słowo wyraz podekscytowania faktem fantastycznego przełomu.”

Prace były wspierane przez Chambroad Chemical Industry Research Institute Co., Ltd., Narodową Fundację Naukową oraz program Departamentu Energii dotyczący katalizy w zakresie podstawowych nauk o energii.