Forskere observerer katalysator under Fischer-Tropsch-syntese for første gang

Egnede katalysatorer er af stor betydning for effektive power-to-X-applikationer - men de molekylære processer, der forekommer under deres brug, er endnu ikke fuldt ud forstået. Ved at bruge røntgenstråler fra en synkrotronpartikelaccelerator, forskere fra Karlsruhe Institute of Technology (KIT) har nu for første gang været i stand til at observere en katalysator under Fischer-Tropsch-reaktionen, der letter produktionen af ​​syntetiske brændstoffer under industrielle forhold. Testresultaterne er beregnet til at blive brugt til udvikling af skræddersyede power-to-X-katalysatorer. Holdet har offentliggjort resultaterne i det videnskabelige tidsskrift Reaktion &Kemiteknik .

På vej til en CO ₂ -neutrale samfund, power-to-X processer (P2X), processer, der omdanner vedvarende energi til kemiske energikilder, understøtte sammenkoblingen af ​​forskellige sektorer. For eksempel, syntetiske brændstoffer kan fremstilles fra vind- eller solenergi, muliggør klimavenlig mobilitet og godstransport uden yderligere drivhusgasemissioner. Fischer-Tropsch-syntesen (FTS), som er nødvendigt til dette formål bl.a. frembringelse af langkædede kulbrinter til fremstilling af benzin eller diesel ud fra kulilte og brint, er en etableret proces i den kemiske industri.

Imidlertid, selvom der er gået mere end hundrede år siden opdagelsen af ​​denne teknologi, de involverede processer er stadig ikke fuldt ud forstået videnskabeligt:​​"Dette gælder især for de strukturelle ændringer i de katalysatorer, der kræves til processen under industrielle forhold, " siger professor Jan-Dierk Grunwaldt fra Institut for Kemisk Teknologi og Polymerkemi (ITCP) i KIT. "Under reaktionen der kan dannes uønskede biprodukter, eller der kan forekomme forstyrrende strukturelle ændringer i katalysatoren. Indtil nu, det er ikke blevet forklaret tilstrækkeligt, hvordan dette sker præcist under reaktionen, og hvad virkningerne på den overordnede proces er."

I et tværfagligt projekt, i samarbejde med P2X-eksperter fra Institute for Micro Process Engineering (IMVT) og Institute of Catalysis Research and Technology (IKFT) i KIT, holdet har nu opnået et gennembrud i forståelsen af ​​FTS på atomniveau. "Til analysen, vi bruger metoder til synkrotronforskning, dvs. røntgenabsorptionsspektroskopi og røntgendiffraktion, " forklarer Marc-André Serrer (IKFT), en af ​​forfatterne til undersøgelsen. "Det var første gang, vi kunne se, så at sige, en FTS-katalysator på arbejde på atomniveau under virkelige procesforhold."

Mens katalytiske reaktioner allerede var blevet undersøgt på forhånd med en synkrotron, en speciel partikelaccelerator til at generere særlig intens røntgenstråling, reaktioner, der finder sted over lang tid og ved høje temperaturer og tryk, som i realtidsdrift på en P2X-facilitet, har hidtil udgjort en hindring. Til eksperimentet på KIT, en ny højtryksinfrastruktur er nu blevet tilføjet til CAT-ACT-målelinjen (CATalysis og ACTinide-målelinje), der er udpeget til katalysatorundersøgelser ved KIT-synkrotronen.

Med denne infrastruktur – som blev bygget som en del af den tyske forbundsregerings Kopernikus-projekter for energiomlægningen – var det muligt at bestemme funktionen af ​​en kommerciel kobolt-nikkel-katalysatoroperando ved 250 °C og 30 bar i mere end 300 timer i løbet af FTS. Det var også første gang, der kunne produceres en tilstrækkelig mængde kulbrinter i et sådant forsøg, der kunne analyseres efterfølgende.

Katalysatorudvikling ved computeren

Eksperimentet gjorde det muligt for forskerne at identificere kulbrinteaflejringer, der hindrer diffusionen af ​​de reaktive gasser mod de aktive katalysatorpartikler. "I næste trin, disse indsigter kan bruges til at beskytte katalysatoren specifikt mod disse deaktiveringsmekanismer, " siger Grunwaldt. "Dette er gjort, for eksempel, ved at modificere katalysatoren med promotorer, dvs. stoffer, der forbedrer katalysatorens egenskaber." I fremtiden, den nye atomare forståelse af katalytiske reaktioner vil bidrage til computersimuleringer for en hurtig, ressourcebesparende og omkostningseffektiv udvikling af skræddersyede katalysatorer til P2X-processer.