Forbedrede Fischer-Tropsch-katalysatorer med sonikering

Forbedret syntese af Fischer-Tropsch-katalysatorer med ultralyd: Ultralydsbehandling af katalysatorpartikler anvendes til flere formål. Ultralydssyntese hjælper med at skabe modificerede eller funktionaliserede nanopartikler, som har høj katalytisk aktivitet. Brugte og forgiftede katalysatorer kan nemt og hurtigt regenereres ved ultralydsbehandling af overfladen, som fjerner inaktiverende belægninger fra katalysatoren. Endelig resulterer deagglomerering og dispergering med ultralyd i en ensartet, monodispers fordeling af katalysatorpartikler, som sikrer et stort aktivt partikeloverfladeareal og god masseoverførsel for optimal katalytisk omsætning.

Fordele ved fremstilling af katalysatorer med ultralyd til Fischer-Tropsch-processer

Sonikering giver betydelige fordele ved syntesen af Fischer-Tropsch-katalysatorer, primært fordi den muliggør præcis kontrol over katalysatorens morfologi og fordelingen af aktive centre. Den energirige kavitation, som ultralydsbølger genererer, sikrer hurtig blanding og effektiv deagglomerering af udgangsmaterialer, hvilket fører til en meget ensartet partikelstørrelsesfordeling og et øget overfladeareal. Denne forbedrede homogenitet resulterer i større dispergering af aktive komponenter, hvilket er afgørende for at maksimere antallet af tilgængelige reaktionscentre. Desuden fører den kontrollerede blandingskinetik ofte til dannelsen af meget stabile og porøse strukturer, hvilket forbedrer katalysatorens katalytiske ydeevne, selektivitet og langtidsstabilitet under barske reaktionsbetingelser.

Ultralydens virkninger på katalysatorer

Ultralyd med høj effekt er velkendt for sin positive indflydelse på kemiske reaktioner. Når intense ultralydsbølger tilføres et flydende medium, opstår der akustisk kavitation. Ultralydskavitation skaber lokalt ekstreme betingelser med meget høje temperaturer på op til 5.000K, tryk på ca. 2.000atm og væskestråler med hastigheder på op til 280m/s. Fænomenet akustisk kavitation og dets virkninger på kemiske processer er kendt under betegnelsen sonokemi.
En almindelig anvendelse af ultralyd er fremstilling af heterogene katalysatorer: Kræfterne fra ultralydskavitation aktiverer katalysatorens overflade, da kavitationserosion skaber upassiverede, stærkt reaktive overflader. Desuden forbedres masseoverførslen betydeligt af den turbulente væskestrømning. De kraftige partikelkollisioner, som akustisk kavitation forårsager, fjerner oxidbelægninger fra pulverpartiklernes overflader, hvilket resulterer i reaktivering af katalysatoroverfladen.
 

Syntese af en palladiumdoteret katalysator ved hjælp af sonikatoren UIP1000hdT
Undersøgelse og billede: ©Prekob et al., 2020

Fremstilling af Fischer-Tropsch-katalysatorer med ultralyd

Fischer-Tropsch-processen omfatter flere kemiske reaktioner, som omdanner en blanding af kulmonoxid og hydrogen til flydende kulbrinter. Til Fischer-Tropsch-syntese kan der anvendes en række forskellige katalysatorer, men de hyppigst anvendte er overgangsmetallerne kobolt, jern og ruthenium. Fischer-Tropsch-syntese ved høj temperatur udføres med en jernkatalysator.
Da Fischer-Tropsch-katalysatorer er følsomme over for katalysatorforgiftning med svovlholdige forbindelser, er reaktivering med ultralyd af stor betydning for at opretholde fuld katalytisk aktivitet og selektivitet.

Syntese af kerne-skal-katalysatorer med ultralyd

Kerne-skal-nanostrukturer er nanopartikler, som er indkapslet i og beskyttet af en ydre skal, der isolerer nanopartiklerne og forhindrer deres migration og sammensmeltning under de katalytiske reaktioner

Pirola et al. (2010) har fremstillet jernbaserede Fischer-Tropsch-katalysatorer på en silicabærer med et højt indhold af aktivt metal. Deres undersøgelse viser, at ultralydsassisteret imprægnering af silicabæreren forbedrer metalaflejringen og øger katalysatoraktiviteten. Resultaterne af Fischer-Tropsch-syntesen har vist, at de katalysatorer, der er fremstillet ved sonikering, er de mest effektive, især når ultralydsimprægneringen udføres i en argonatmosfære.

Reaktivering af katalysatorer med ultralyd

Ultralydsbehandling af partikeloverflader er en hurtig og enkel metode til at regenerere og reaktivere brugte og passiverede katalysatorer. Katalysatorens regenererbarhed muliggør reaktivering og genbrug og udgør dermed et økonomisk og miljøvenligt procestrin.
Ultralydsbehandling af partikler fjerner inaktiverende passiveringslag, belægninger og urenheder fra katalysatorpartiklen, som blokerer centre for katalytiske reaktioner. Sonikering af en suspension af brugt katalysator medfører, at katalysatorpartiklernes overflader vaskes af væskestråler, hvorved aflejringer fjernes fra de katalytisk aktive centre. Efter sonikering genoprettes katalysatoraktiviteten til samme effektivitet som hos en frisk katalysator. Desuden bryder sonikering agglomerater og giver en homogen, ensartet fordeling af monodisperse partikler, hvilket øger partiklernes overfladeareal og dermed arealet af de aktive katalytiske centre. Regenerering af katalysatorer med ultralyd giver derfor regenererede katalysatorer med et stort aktivt overfladeareal, som forbedrer masseoverførslen.
Regenerering af katalysatorer med ultralyd fungerer for mineral- og metalpartikler, (meso-)porøse partikler og nanokompositter.
Læs mere om regenerering af brugte katalysatorer med ultralyd!

Højtydende sonikatorer til sonokemisk syntese af Fischer-Tropsch-katalysatorer

Sonikatorer fra Hielscher er meget foretrukne til katalysatorsyntese på grund af deres robuste konstruktion, præcision og skalerbarhed og giver betydelige fordele i forhold til almindeligt sonikeringsudstyr. Disse enheder leverer præcist kontrollerbar ultralydsenergi med høj intensitet, hvilket er afgørende for at opnå ensartet dispergering af udgangsmaterialer og muliggøre præcis kernedannelse og vækst af katalysatorpartikler. De avancerede styresystemer gør det muligt for forskere at regulere parametre som udgangseffekt og pulsvarighed nøjagtigt, hvilket sikrer reproducerbare forsøgsresultater – en afgørende faktor inden for materialevidenskab. Desuden er sonikatorer fra Hielscher kendt for deres holdbarhed og evne til at håndtere forskellige skalaer, fra små laboratoriebatches til drift af pilotanlæg, hvilket muliggør en effektiv overgang for lovende katalysatorformuleringer fra forskning i laboratorieskala til industriel anvendelse. Tyske standarder for konstruktion og fremstilling sikrer, at ultralydsudstyr fra Hielscher kan drives pålideligt døgnet rundt, 24/7, under krævende belastninger.

Tabellen nedenfor giver en indikation af vores sonikatorers omtrentlige behandlingskapacitet:

Litteratur / Referencer

• Prekob, Á., Muránszky, G., Kocserha, I. et al. (2020): Sonochemical Deposition of Palladium Nanoparticles Onto the Surface of N-Doped Carbon Nanotubes: A Simplified One-Step Catalyst Production Method. Catalysis Letters 150, 2020. 505–513.
• Hajdu Viktória; Prekob Ádám; Muránszky Gábor; Kocserha István; Kónya Zoltán; Fiser Béla; Viskolcz Béla; Vanyorek László (2020): Catalytic activity of maghemite supported palladium catalyst in nitrobenzene hydrogenation. Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis 2020.
• Pirola, C.; Bianchi, C.L.; Di Michele, A.; Diodati, P.; Boffito, D.; Ragaini, V. (2010): Ultrasound and microwave assisted synthesis of high loading Fe-supported Fischer–Tropsch catalysts. Ultrasonics Sonochemistry, Vol.17/3, 2010, 610-616.
• Suslick, K.S.; Hyeon, T.; Fang, M.; Cichowlas, A. A. (1995): Sonochemical synthesis of nanostructured catalysts. Materials Science and Engineering A204, 1995, 186-192.