Ուլտրաձայնային մշակմամբ բարելավված Ֆիշեր–Տրոպշի կատալիզատորներ

Ֆիշեր–Տրոպշի կատալիզատորների բարելավված սինթեզ ուլտրաձայնով. կատալիզատորի մասնիկների ուլտրաձայնային մշակումն օգտագործվում է մի քանի նպատակով։ Ուլտրաձայնային սինթեզն օգնում է ստեղծել ձևափոխված կամ ֆունկցիոնալացված նանոմասնիկներ, որոնք ունեն բարձր կատալիտիկ ակտիվություն։ Օգտագործված և թունավորված կատալիզատորները կարելի է հեշտությամբ և արագ վերականգնել մակերևույթի ուլտրաձայնային մշակմամբ, որը կատալիզատորից հեռացնում է ակտիվազրկող աղտոտվածքները։ Վերջապես, ուլտրաձայնային ապաագլոմերացումն ու դիսպերսումն ապահովում են կատալիզատորի մասնիկների միատեսակ, մոնոդիսպերս բաշխում՝ մասնիկների ակտիվ մակերևույթի մեծ մակերես և զանգվածափոխանակություն ապահովելու համար՝ օպտիմալ կատալիտիկ փոխարկման նպատակով։

Կատալիզատորների ուլտրաձայնային պատրաստման առավելությունները Ֆիշեր–Տրոպշի գործընթացների համար

Ուլտրաձայնային մշակումն էական առավելություններ է տալիս Ֆիշեր–Տրոպշի կատալիզատորների սինթեզում՝ հիմնականում կատալիզատորի մորֆոլոգիայի և ակտիվ կենտրոնների բաշխման ճշգրիտ վերահսկում ապահովելու իր ունակության շնորհիվ։ Ուլտրաձայնային ալիքներից առաջացող բարձր էներգիայով կավիտացիան ապահովում է արագ խառնում և նախանյութերի արդյունավետ ապաագլոմերացում՝ հանգեցնելով մասնիկների չափերի խիստ միատեսակ բաշխման և մակերևույթի մակերեսի մեծացման։ Այս բարելավված համասեռությունը հանգեցնում է ակտիվ բաղադրիչների ավելի մեծ դիսպերսվածության, ինչը վճռորոշ է ռեակցիայի հասանելի կենտրոնների քանակը առավելագույնի հասցնելու համար։ Բացի այդ, խառնման վերահսկվող կինետիկան հաճախ հանգեցնում է խիստ կայուն և ծակոտկեն կառուցվածքների ձևավորման՝ այդպիսով բարելավելով կատալիզատորի կատալիտիկ արդյունավետությունը, ընտրողականությունը և երկարաժամկետ կայունությունը ռեակցիայի խիստ պայմաններում։

Ուլտրաձայնի ազդեցությունները կատալիզատորների վրա

Բարձր հզորության ուլտրաձայնը հայտնի է քիմիական ռեակցիաների վրա իր դրական ազդեցությամբ։ Երբ ինտենսիվ ուլտրաձայնային ալիքները ներմուծվում են հեղուկ միջավայր, առաջանում է ակուստիկ կավիտացիա։ Ուլտրաձայնային կավիտացիան տեղայնորեն ստեղծում է ծայրահեղ պայմաններ՝ մինչև 5 000K շատ բարձր ջերմաստիճաններով, մոտ 2 000atm ճնշումներով և մինչև 280m/s արագությամբ հեղուկի շիթերով։ Ակուստիկ կավիտացիայի երևույթը և դրա ազդեցությունները քիմիական գործընթացների վրա հայտնի են սոնոքիմիա եզրույթով։
Ուլտրաձայնի տարածված կիրառություններից է հետերոգեն կատալիզատորների պատրաստումը. ուլտրաձայնային կավիտացիայի ուժերն ակտիվացնում են կատալիզատորի մակերևույթը, քանի որ կավիտացիոն էրոզիան առաջացնում է չպասիվացված, բարձր ռեակցիոնունակությամբ մակերևույթներ։ Բացի այդ, հեղուկի տուրբուլենտ հոսքը զգալիորեն բարելավում է զանգվածափոխանակությունը։ Ակուստիկ կավիտացիայից առաջացող մասնիկների ինտենսիվ բախումները հեռացնում են փոշու մասնիկների մակերևութային օքսիդային ծածկույթները՝ հանգեցնելով կատալիզատորի մակերևույթի վերաակտիվացման։
 

Պալադիումով լեգիրված կատալիզատորի սինթեզ ՝ UIP1000hdT ուլտրաձայնային սարքի կիրառմամբ
Հետազոտությունը և պատկերը՝ ©Prekob et al., 2020

Ֆիշեր–Տրոպշի կատալիզատորների ուլտրաձայնային պատրաստում

Ֆիշեր–Տրոպշի գործընթացը ներառում է մի քանի քիմիական ռեակցիաներ, որոնք ածխածնի մոնօքսիդի և ջրածնի խառնուրդը փոխարկում են հեղուկ ածխաջրածինների։ Ֆիշեր–Տրոպշի սինթեզի համար կարող են օգտագործվել տարբեր կատալիզատորներ, սակայն առավել հաճախ օգտագործվում են անցումային մետաղներ կոբալտը, երկաթը և ռութենիումը։ Ֆիշեր–Տրոպշի բարձր ջերմաստիճանային սինթեզն իրականացվում է երկաթե կատալիզատորով։
Քանի որ Ֆիշեր–Տրոպշի կատալիզատորները ենթակա են ծծումբ պարունակող միացություններով կատալիտիկ թունավորման, ուլտրաձայնային վերաակտիվացումը մեծ նշանակություն ունի լիարժեք կատալիտիկ ակտիվության և ընտրողականության պահպանման համար։

Միջուկ–թաղանթ կառուցվածքով կատալիզատորների ուլտրաձայնային սինթեզ

Միջուկ–թաղանթ նանոկառուցվածքները նանոմասնիկներ են՝ պարփակված և պաշտպանված արտաքին թաղանթով, որը մեկուսացնում է նանոմասնիկները և կանխում դրանց միգրացիան ու միաձուլումը կատալիտիկ ռեակցիաների ընթացքում։

Pirola et al. (2010) պատրաստել են սիլիցիումի երկօքսիդի կրիչի վրա հիմնված, երկաթի հիմքով Ֆիշեր–Տրոպշի կատալիզատորներ՝ ակտիվ մետաղի բարձր պարունակությամբ։ Նրանց հետազոտությունում ցույց է տրված, որ սիլիցիումի երկօքսիդի կրիչի՝ ուլտրաձայնով օժանդակված ներծծումը բարելավում է մետաղի նստեցումը և բարձրացնում կատալիզատորի ակտիվությունը։ Ֆիշեր–Տրոպշի սինթեզի արդյունքները ցույց են տվել, որ ուլտրաձայնային մշակմամբ պատրաստված կատալիզատորներն ամենաարդյունավետն են, հատկապես երբ ուլտրաձայնային ներծծումն իրականացվում է արգոնի մթնոլորտում։

Կատալիզատորների ուլտրաձայնային վերաակտիվացում

Մասնիկների մակերևույթի ուլտրաձայնային մշակումը օգտագործված և պասիվացված կատալիզատորների վերականգնման ու վերաակտիվացման արագ և հեշտ մեթոդ է։ Կատալիզատորի վերականգնելիությունը թույլ է տալիս այն վերաակտիվացնել և կրկին օգտագործել, ուստի այս քայլը տնտեսող և շրջակա միջավայրի համար բարենպաստ է։
Մասնիկների ուլտրաձայնային մշակումը կատալիզատորի մասնիկից հեռացնում է ակտիվազրկող պասիվացնող շերտերը, աղտոտվածքները և խառնուկները, որոնք արգելափակում են կատալիտիկ ռեակցիայի կենտրոնները։ Օգտագործված կատալիզատորի կախույթի ուլտրաձայնային մշակումը հանգեցնում է կատալիզատորի մասնիկի մակերևույթի շիթային լվացման՝ այդպիսով կատալիտիկ ակտիվ կենտրոնից հեռացնելով նստվածքները։ Ուլտրաձայնային մշակումից հետո կատալիզատորի ակտիվությունը վերականգնվում է՝ հասնելով թարմ կատալիզատորի նույն արդյունավետությանը։ Բացի այդ, ուլտրաձայնային մշակումը քայքայում է ագլոմերատները և ապահովում մոնոդիսպերս մասնիկների համասեռ, միատեսակ բաշխում, ինչը մեծացնում է մասնիկների մակերևույթի մակերեսը և, հետևաբար, կատալիտիկ ակտիվ կենտրոնը։ Ուստի կատալիզատորների ուլտրաձայնային վերականգնումը տալիս է ակտիվ մակերևույթի մեծ մակերեսով վերականգնված կատալիզատորներ՝ զանգվածափոխանակության բարելավման համար։
Կատալիզատորների ուլտրաձայնային վերականգնումը կիրառելի է հանքային և մետաղական մասնիկների, (մեզո)ծակոտկեն մասնիկների և նանոկոմպոզիտների համար։
Ավելին կարդացեք օգտագործված կատալիզատորների ուլտրաձայնային վերականգնման մասին։

Բարձր արդյունավետությամբ ուլտրաձայնային սարքեր՝ Ֆիշեր–Տրոպշի կատալիզատորների սոնոքիմիական սինթեզի համար

Hielscher ուլտրաձայնային սարքերը մեծ նախապատվություն են վայելում կատալիզատորների սինթեզում՝ իրենց ամուր կառուցվածքի, ճշգրտության և ավելի մեծ մասշտաբների անցնելու հնարավորության շնորհիվ՝ էական առավելություններ տալով սովորական ուլտրաձայնային մշակման սարքավորումների նկատմամբ։ Այս սարքերն ապահովում են ճշգրիտ վերահսկելի և բարձր ինտենսիվության ուլտրաձայնային էներգիա, ինչը վճռորոշ է նախանյութերի միատեսակ դիսպերսում ապահովելու և կատալիզատորի մասնիկների ճշգրիտ սաղմնավորումն ու աճը դյուրացնելու համար։ Կառավարման կատարելագործված համակարգերը հետազոտողներին թույլ են տալիս ճշգրիտ կարգավորել այնպիսի պարամետրեր, ինչպիսիք են ելքային հզորությունը և իմպուլսի տևողությունը՝ ապահովելով վերարտադրելի փորձարարական արդյունքներ՝ նյութագիտության համար կենսական գործոն։ Բացի այդ, Hielscher ուլտրաձայնային սարքերը հայտնի են իրենց երկարակեցությամբ և տարբեր մասշտաբներով աշխատելու ունակությամբ՝ փոքր լաբորատոր խմբաքանակներից մինչև փորձնական կայանների շահագործում, ինչը հնարավորություն է տալիս կատալիզատորների խոստումնալից բաղադրակազմերը արդյունավետորեն տեղափոխել լաբորատոր հետազոտություններից արդյունաբերական կիրառություն՝ մեծացնելով մասշտաբը։ Գերմանական ինժեներական և արտադրական չափանիշներն ապահովում են, որ Hielscher ուլտրաձայնային սարքավորումները հուսալիորեն շահագործվեն 24/7 ռեժիմով՝ ծանր բեռնվածքների տակ։

Ստորև բերված աղյուսակը պատկերացում է տալիս մեր ուլտրաձայնային սարքերի մշակման մոտավոր արտադրողականության մասին.

Գրականություն / Հղումներ

• 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.