Descoberta feita sobre o processo Fischer Tropsch pode ajudar a melhorar a produção de combustível

Pesquisadores da Washington State University descobriram oscilações autossustentadas até então desconhecidas no processo Fischer Tropsch. Eles descobriram que, ao contrário de muitas reações catalíticas que têm um estado estacionário, esta reação se move periodicamente de um estado de atividade alta para um estado de atividade baixa. A descoberta, relatada na Science, significa que estes estados oscilatórios bem controlados podem ser usados ​​no futuro para aumentar a taxa de reação e os rendimentos dos produtos desejados.

"Normalmente, oscilações de taxa com grandes variações de temperatura são indesejadas na indústria química devido a questões de segurança", disse o autor correspondente Norbert Kruse, professor ilustre de Voiland na Escola de Engenharia Química e Bioengenharia Gene e Linda Voiland da WSU. "No presente caso, as oscilações estão sob controle e mecanicamente bem compreendidas. Com tal base de compreensão, tanto experimental quanto teoricamente, a abordagem em pesquisa e desenvolvimento pode ser completamente diferente, você realmente tem uma abordagem baseada no conhecimento, e isso irá nos ajude enormemente."

Embora o processo Fischer Tropsch seja comumente usado para produção de combustíveis e produtos químicos, os pesquisadores têm pouca compreensão de como funciona o complexo processo de conversão catalítica. O processo utiliza um catalisador para converter duas moléculas simples, hidrogênio e monóxido de carbono, em longas cadeias de moléculas, os hidrocarbonetos amplamente utilizados na vida diária.

Embora uma abordagem de tentativa e erro tenha sido usada em pesquisa e desenvolvimento nas indústrias química e de combustíveis há mais de um século, os pesquisadores serão agora capazes de projetar catalisadores de forma mais intencional e ajustar a reação para provocar estados oscilatórios que poderiam melhorar a capacidade catalítica. desempenho.

Os pesquisadores descobriram as oscilações pela primeira vez por acidente, depois que o estudante Rui Zhang abordou Kruse com um problema: ele não foi capaz de estabilizar a temperatura em sua reação. Ao estudarem juntos, descobriram as surpreendentes oscilações.

“Isso foi muito engraçado”, disse Kruse. "Ele me mostrou e eu disse: 'Rui, parabéns, você tem oscilações! E aí fomos desenvolvendo cada vez mais essa história."

Os pesquisadores não apenas descobriram que a reação desenvolve estados de reação oscilatórios, mas também por que isso acontece. Ou seja, à medida que a temperatura da reação aumenta devido à sua produção de calor, os gases reagentes perdem contato com a superfície do catalisador e sua reação fica mais lenta, o que reduz a temperatura. Uma vez que a temperatura é suficientemente baixa, a concentração dos gases reagentes na superfície do catalisador aumenta e a reação ganha velocidade novamente. Consequentemente, a temperatura aumenta para fechar o ciclo.

Para o estudo, os pesquisadores demonstraram a reação em laboratório empregando um catalisador de cobalto frequentemente usado, condicionado pela adição de óxido de cério, e depois modelaram como funcionava. O co-autor Pierre Gaspard, da Université Libre de Bruxelles, desenvolveu um esquema de reação e impôs teoricamente mudanças periódicas de temperaturas para replicar as taxas experimentais e seletividades da reação.

"É tão bonito que fomos capazes de modelar isso teoricamente", disse o autor correspondente Yong Wang, professor regente na Escola Voiland da WSU, que também co-orientou Zhang. "Os dados teóricos e experimentais quase coincidiram."

Kruse trabalha com reações oscilatórias há mais de 30 anos. A descoberta do comportamento oscilatório com a reação de Fischer Tropsch foi muito surpreendente porque a reação é mecanicamente extremamente complicada.

“Às vezes ficamos muito frustrados em nossa pesquisa porque as coisas não estão indo como você acha que deveriam, mas há momentos que você não consegue descrever”, disse Kruse. expressão de entusiasmo por ter tido esta descoberta fantástica."

O trabalho foi apoiado pelo Chamroad Chemical Industry Research Institute Co., Ltd., pela National Science Foundation e pelo programa de Ciência da Catálise de Ciências Básicas de Energia do Departamento de Energia.