זרזי פישר–טרופש משופרים באמצעות סוניקציה

סינתזה משופרת של זרזי פישר–טרופש באמצעות אולטרסאונד: טיפול אולטרסוני בחלקיקי זרז משמש למספר מטרות. סינתזה אולטרסונית מסייעת ליצור ננו־חלקיקים שעברו שינוי או פונקציונליזציה, בעלי פעילות קטליטית גבוהה. ניתן לשקם בקלות ובמהירות זרזים משומשים ומורעלים באמצעות טיפול אולטרסוני בפני השטח, המסיר מהזרז משקעים המנטרלים את פעילותו. לבסוף, פירוק אגלומרטים ופיזור באמצעות אולטרסאונד יוצרים התפלגות אחידה ומונודיספרסית של חלקיקי הזרז, כדי להבטיח שטח פנים פעיל גדול של החלקיקים והעברת מסה להמרה קטליטית מיטבית.

יתרונות ההכנה האולטרסונית של זרזים לתהליכי פישר–טרופש

סוניקציה מציעה יתרונות משמעותיים בסינתזה של זרזי פישר–טרופש, בעיקר בזכות יכולתה לאפשר שליטה מדויקת במורפולוגיית הזרז ובהתפלגות האתרים הפעילים. הקוויטציה עתירת האנרגיה הנוצרת באמצעות גלים אולטרסוניים מבטיחה ערבוב מהיר ופירוק יעיל של אגלומרטים בחומרי המוצא, המובילים להתפלגות אחידה מאוד של גודל החלקיקים ולשטח פנים מוגדל. הומוגניות משופרת זו מביאה לפיזור רב יותר של הרכיבים הפעילים, החיוני למקסום מספר אתרי התגובה הנגישים. יתרה מכך, קינטיקת הערבוב המבוקרת מובילה לעיתים קרובות להיווצרות מבנים יציבים מאוד ונקבוביים, ובכך משפרת את הביצועים הקטליטיים, הסלקטיביות והיציבות ארוכת הטווח של הזרז בתנאי תגובה קשים.

השפעות אולטרסוניות על זרזים

אולטרסאונד בהספק גבוה מוכר היטב בזכות השפעתו החיובית על תגובות כימיות. כאשר מוחדרים גלים אולטרסוניים עזים לתווך נוזלי, נוצרת קוויטציה אקוסטית. קוויטציה אולטרסונית יוצרת תנאים מקומיים קיצוניים, עם טמפרטורות גבוהות מאוד של עד 5,000K, לחצים של כ־2,000atm וסילוני נוזל במהירות של עד 280m/s. תופעת הקוויטציה האקוסטית והשפעותיה על תהליכים כימיים מוכרות במונח סונוכימיה.
יישום נפוץ של אולטרסאונד הוא הכנת זרזים הטרוגניים: כוחות הקוויטציה האולטרסונית מפעילים את פני השטח של הזרז, שכן שחיקה עקב קוויטציה יוצרת משטחים שלא עברו פסיבציה ובעלי תגובתיות גבוהה. יתרה מכך, העברת המסה משתפרת משמעותית בזכות הזרימה הטורבולנטית של הנוזל. ההתנגשויות העזות בין החלקיקים הנגרמות מקוויטציה אקוסטית מסירות ציפויי תחמוצת מפני השטח של חלקיקי אבקה, ובכך מביאות להפעלה מחדש של פני השטח של הזרז.
 

סינתזה של זרז מסומם בפלדיום באמצעות מכשיר הסוניקציה UIP1000hdT
מחקר ותמונה: ©Prekob et al., 2020

הכנה אולטרסונית של זרזי פישר–טרופש

תהליך פישר–טרופש כולל מספר תגובות כימיות הממירות תערובת של פחמן חד־חמצני ומימן לפחמימנים נוזליים. ניתן להשתמש במגוון זרזים לסינתזת פישר–טרופש, אך הנפוצים ביותר הם מתכות המעבר קובלט, ברזל ורותניום. סינתזת פישר–טרופש בטמפרטורה גבוהה מתבצעת באמצעות זרז ברזל.
מכיוון שזרזי פישר–טרופש רגישים להרעלה על ידי תרכובות המכילות גופרית, להפעלה מחדש באמצעות אולטרסאונד חשיבות רבה בשמירה על פעילות קטליטית וסלקטיביות מלאות.

סינתזה אולטרסונית של זרזי ליבה–מעטפת

ננו־מבני ליבה–מעטפת הם ננו־חלקיקים המכוסים ומוגנים במעטפת חיצונית, המבודדת את הננו־חלקיקים ומונעת את נדידתם והתלכדותם במהלך התגובות הקטליטיות

Pirola et al. (2010) הכינו זרזי פישר–טרופש מבוססי ברזל הנתמכים על סיליקה, בעלי תכולה גבוהה של מתכת פעילה. במחקרם הוצג כי הספגת מצע הסיליקה בסיוע אולטרסאונד משפרת את השקעת המתכת ומגבירה את פעילות הזרז. תוצאות סינתזת פישר–טרופש הצביעו על כך שהזרזים שהוכנו באמצעות סוניקציה היו היעילים ביותר, במיוחד כאשר ההספגה האולטרסונית מתבצעת באטמוספרת ארגון.

הפעלה מחדש של זרזים באמצעות אולטרסאונד

טיפול אולטרסוני בפני השטח של חלקיקים הוא שיטה מהירה ופשוטה לחידוש ולהפעלה מחדש של זרזים משומשים וזרזים שעברו פסיבציה. יכולת החידוש של הזרז מאפשרת את הפעלתו מחדש ושימוש חוזר בו, ולכן זהו שלב תהליך חסכוני וידידותי לסביבה.
טיפול אולטרסוני בחלקיקים מסיר מחלקיק הזרז שכבות פסיבציה המנטרלות פעילות, משקעים וזיהומים החוסמים אתרי תגובה קטליטית. סוניקציה של תרחיף זרז משומש מביאה לשטיפת פני השטח של חלקיק הזרז בסילונים, ובכך מסירה משקעים מהאתר הפעיל קטליטית. לאחר הסוניקציה, פעילות הזרז חוזרת לאותה יעילות כמו זו של זרז טרי. יתרה מכך, סוניקציה מפרקת אגלומרטים ומספקת התפלגות הומוגנית ואחידה של חלקיקים מונודיספרסיים, המגדילה את שטח הפנים של החלקיקים ובכך את שטח האתר הקטליטי הפעיל. לפיכך, שיקום אולטרסוני של זרזים מניב זרזים מחודשים בעלי שטח פנים פעיל גדול לשיפור העברת המסה.
חידוש אולטרסוני של זרזים מתאים לחלקיקי מינרלים ומתכות, לחלקיקים נקבוביים, לרבות מזופוריים, ולננו־מרוכבים.
קראו עוד על חידוש אולטרסוני של זרזים משומשים!

מכשירי סוניקציה עתירי ביצועים לסינתזה סונוכימית של זרזי פישר–טרופש

מכשירי הסוניקציה של Hielscher מועדפים מאוד בסינתזת זרזים בזכות המבנה העמיד שלהם, הדיוק ויכולת ההתאמה לקני מידה שונים, ומציעים יתרונות משמעותיים לעומת ציוד סוניקציה כללי. מכשירים אלה מספקים אנרגיה אולטרסונית בעוצמה גבוהה הניתנת לשליטה מדויקת, החיונית להשגת פיזור אחיד של חומרי המוצא ולהקלת התגרענות וגדילה מדויקות של חלקיקי הזרז. מערכות הבקרה המתוחכמות מאפשרות לחוקרים לווסת במדויק פרמטרים כגון הספק מוצא ומשך הפולס, ומבטיחות תוצאות ניסוי הניתנות לשחזור – גורם חיוני במדע החומרים. יתרה מכך, מכשירי הסוניקציה של Hielscher ידועים בעמידותם וביכולתם לפעול בקני מידה שונים, החל מאצוות מעבדה קטנות ועד להפעלה במתקני פיילוט, ובכך מאפשרים מעבר יעיל של פורמולציות זרזים מבטיחות ממחקר בקנה מידה מעבדתי ליישום תעשייתי. תקני ההנדסה והייצור הגרמניים מבטיחים שניתן להפעיל באופן אמין את הציוד האולטרסוני של Hielscher ברציפות 24/7 תחת עומסי עבודה כבדים.

הטבלה שלהלן מציגה אומדן של כושר העיבוד המשוער של מכשירי הסוניקציה שלנו:

ספרות / מקורות

• 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.