זרזי פישר-טרופש משופרים עם סוניקציה

סינתזה משופרת של זרזי פישר-טרופש עם אולטרסאונד: טיפול קולי בחלקיקי זרזים משמש למספר מטרות. סינתזה קולית מסייעת ליצור ננו-חלקיקים שהשתנו או פונקציונליים, בעלי פעילות קטליטית גבוהה. זרזים משומשים ומורעלים ניתן לשחזר בקלות ובמהירות על ידי טיפול משטח קולי, אשר מסיר עכירות inactivateting מן הזרז. לבסוף, פירוק ופיזור על-קוליים מביאים לפיזור אחיד וחד-פיזור של חלקיקי זרז כדי להבטיח משטח חלקיקים פעיל גבוה והעברת מסה להמרה קטליטית אופטימלית.

יתרונות הכנת זרזים באמצעות אולטרסאונד לתהליכי פישר-טרופש

שימוש באולטרסאונד מציע יתרונות משמעותיים בסינתזה של זרזי פישר-טרופש, בעיקר בזכות היכולת שלו לאפשר שליטה מדויקת במורפולוגיה של הזרז ובפיזור האתרים הפעילים. הקוויטציה בעלת האנרגיה הגבוהה הנוצרת על ידי גלי אולטרסאונד מבטיחה ערבוב מהיר ופירוק יעיל של גושי חומרי הגלם, מה שמוביל לפיזור גודל חלקיקים אחיד ביותר ולשטח פנים מוגדל. אחידות משופרת זו מביאה לפיזור טוב יותר של המרכיבים הפעילים, דבר שהוא חיוני למקסום מספר אתרי התגובה הזמינים. יתרה מכך, קינטיקת הערבוב המבוקרת מובילה לעיתים קרובות להיווצרות מבנים יציבים ונקבוביים ביותר, ובכך משפרת את הביצועים הקטליטיים, את הסלקטיביות ואת היציבות לטווח הארוך של הזרז בתנאי תגובה קשים.

השפעות אולטראסוניות על זרזים

אולטרסאונד בעוצמה גבוהה ידוע בהשפעתו החיובית על תגובות כימיות. כאשר גלי אולטרסאונד אינטנסיביים מוכנסים לתוך קוויטציה אקוסטית בינונית נוזלית נוצרת. קוויטציה על-קולית מייצרת תנאים קיצוניים מקומיים עם טמפרטורות גבוהות מאוד של עד 5,000K, לחצים של כ-2,000 אטמוספירה וסילונים נוזליים במהירות של עד 280 מטר לשנייה. תופעת הקוויטציה האקוסטית והשפעותיה על תהליכים כימיים ידועה תחת המונח סונוכימיה.
יישום נפוץ של אולטרסאונד הוא הכנת זרזים הטרוגניים: כוחות קוויטציה אולטרסאונד מפעילים את שטח הפנים של הזרז כמו שחיקה cavitational יוצר משטחים unpassivated, תגובתי מאוד. יתר על כן, העברת המסה משופרת באופן משמעותי על ידי זרם נוזל סוער. התנגשות החלקיקים הגבוהה הנגרמת על ידי קוויטציה אקוסטית מסירה ציפויי תחמוצת פני השטח של חלקיקי אבקה וכתוצאה מכך הפעלה מחדש של משטח הזרז.
 

סינתזה של זרז המכיל פלדיום שימוש במכשיר הסוניקציה UIP1000hdT
מחקר ותמונה: ©Prekob et al., 2020

הכנה קולית של זרזי פישר-טרופש

תהליך פישר-טרופש מכיל מספר תגובות כימיות הממירות תערובת של פחמן חד חמצני ומימן לפחמימנים נוזליים. עבור סינתזת פישר-טרופש, ניתן להשתמש במגוון זרזים, אך הנפוצים ביותר הם מתכות המעבר קובלט, ברזל ורותניום. סינתזת פישר-טרופש בטמפרטורה גבוהה מופעלת באמצעות זרז ברזל.
מכיוון שזרזי פישר-טרופש רגישים להרעלת זרזים על ידי תרכובות המכילות גופרית, ההפעלה מחדש העל-קולית היא בעלת חשיבות רבה לשמירה על פעילות קטליטית מלאה וסלקטיביות.

סינתזה קולית של זרזי מעטפת ליבה

ננו-מבנים של קליפת ליבה הם ננו-חלקיקים העטופים ומוגנים על ידי קליפה חיצונית המבודדת את הננו-חלקיקים ומונעת את נדידתם והתלכדותם במהלך התגובות הקטליטיות;

Pirola et al. (2010) הכינו זרזי פישר-טרופש מבוססי ברזל הנתמכים בסיליקה עם עומס גבוה של מתכת פעילה. במחקרם הוכח כי הספגה בסיוע אולטרה-סאונד של תמיכת הסיליקה משפרת את שקיעת המתכת ומגבירה את פעילות הזרז. תוצאות הסינתזה של פישר-טרופש הצביעו על הזרזים שהוכנו על ידי אולטרה-סוניקציה כיעילים ביותר, במיוחד כאשר הספגה על-קולית מבוצעת באטמוספירה של ארגון.

הפעלה מחדש של זרז על-קולי

טיפול קולי במשטח חלקיקים הוא שיטה מהירה ופשוטה לחידוש ולהפעלה מחדש של זרזים משומשים ומנוטרלים. היכולת לחדש את הזרז מאפשרת להפעיל אותו מחדש ולעשות בו שימוש חוזר, ולכן מדובר בשלב תהליך חסכוני וידידותי לסביבה.
טיפול חלקיקים באמצעות אולטרסאונד מסיר שכבות פסיבציה מנטרלות, זיהומים וחלקיקים זרים מחלקיקי הזרז, אשר חוסמים את האתרים המיועדים לתגובה קטליטית. טיפול באולטרסאונד בתערובת של זרז משומש מביא לשטיפה בלחץ גבוה של פני השטח של חלקיקי הזרז, ובכך מסיר משקעים מהאתר הקטליטי הפעיל. לאחר הטיפול האולטראסוני, פעילות הזרז משוחזרת לאותה יעילות כמו של זרז חדש. יתר על כן, הטיפול האולטראסוני מפרק אגרגטים ומספק פיזור הומוגני ואחיד של חלקיקים מונו-מפוזרים, מה שמגדיל את שטח פני החלקיקים ובכך את האתר הקטליטי הפעיל. לפיכך, שיקום זרזים באמצעות אולטראסאונד מניב זרזים מחודשים בעלי שטח פנים פעיל גבוה להעברת מסה משופרת.
התחדשות זרזים על-קוליים פועלת עבור חלקיקי מינרלים ומתכות, חלקיקים נקבוביים (מזו-)נקבוביים וננו-מרוכבים.
Read more about ultrasonic regeneration of spent catalysts!

מכשירים סוניקטוריים בעלי ביצועים גבוהים לסינתזה סונוכימית של זרזים לפי שיטת פישר-טרופש

מכשירים סוניקטוריים של Hielscher זוכים לפופולריות רבה בתחום סינתזת זרזים הודות לעיצוב החזק, לדיוק ולגמישות שלהם, ומציעים יתרונות משמעותיים על פני ציוד סוניקציה כללי. יחידות אלו מספקות אנרגיית אולטרה-סאונד בעוצמה גבוהה הניתנת לשליטה מדויקת, שהיא חיונית להשגת פיזור אחיד של חומרי המוצא ולקידום גרעינות וצמיחה מדויקות של חלקיקי הזרז. מערכות הבקרה המתוחכמות מאפשרות לחוקרים לווסת במדויק פרמטרים כגון עוצמת הפלט ומשך הדופק, ובכך להבטיח תוצאות ניסוייות הניתנות לשחזור – גורם חיוני במדעי החומרים. יתרה מכך, מכשירי הסוניקציה של Hielscher ידועים בעמידותם וביכולתם להתמודד עם קנה מידה מגוון, החל מאצוות מעבדה קטנות ועד לפעילות במפעלי פיילוט, ובכך מאפשרים מעבר יעיל של פורמולות זרזים מבטיחות ממחקר בקנה מידה מעבדתי ליישום תעשייתי. תקני ההנדסה והייצור הגרמניים מבטיחים כי ניתן להפעיל את ציוד האולטראסוני של Hielscher באופן אמין בפעולה 24/7 תחת עומסים כבדים.

הטבלה הבאה נותנת לך אינדיקציה לגבי יכולת העיבוד המשוערת של הסוניקטורים שלנו:

ספרות / מקורות