ソニケーションによるフィッシャー・トロプシュ触媒の改良
超音波によるフィッシャー・トロプシュ触媒の改良合成：触媒粒子の超音波処理は、いくつかの目的に利用されている。超音波合成は、高い触媒活性を持つ修飾または機能化されたナノ粒子を作り出すのに役立つ。使用済み触媒や汚染された触媒は、超音波表面処理によって、触媒から不活性化ファウリングを除去することで、簡単かつ迅速に回収することができる。最後に、超音波による脱凝集と分散により、触媒粒子の均一な単分散分布が得られ、高い活性粒子表面と物質移動が確保され、最適な触媒変換が行われる。
フィッシャー・トロプシュ・プロセスにおける超音波触媒調製の利点
ソニケーションは、フィッシャー・トロプシュ触媒の合成において、主に触媒の形態と活性部位の分布を細かく制御することができるため、大きな利点をもたらす。超音波によって発生する高エネルギーのキャビテーションは、前駆物質の迅速な混合と効果的な脱凝集を確実にし、非常に均一な粒度分布と表面積の増加をもたらす。この均一性の向上により、活性成分の分散性が高まり、アクセス可能な反応部位の数を最大化するために極めて重要である。さらに、制御された混合速度論は、多くの場合、高度に安定した多孔質構造の形成につながり、過酷な反応条件下での触媒性能、選択性、および触媒の長期安定性を向上させる。
ソニケーターUIP1500hdT フローセルによるフィッシャー・トロプシュ触媒の超音波合成
触媒への超音波効果
高出力超音波は化学反応に好影響を与えることで知られている。強力な超音波が液体媒体に導入されると、音響キャビテーションが発生する。超音波キャビテーションは、最大5,000Kの非常に高い温度、約2,000気圧の圧力、最大280m/sの流速の液体噴流など、局所的に極限状態を作り出す。音響キャビテーション現象とその化学プロセスへの影響は、ソノケミストリーという用語で知られている。
超音波の一般的な用途は、不均一系触媒の調製である。超音波キャビテーションにより、触媒の表面積が活性化され、キャビテーション浸食により、不動態化されていない反応性の高い表面が生成される。さらに、液体の乱流によって物質移動が大幅に改善されます。超音波キャビテーションによる高い粒子衝突により、粉末粒子の表面酸化被膜が除去され、触媒表面が再活性化される。
パラジウムドープ触媒の合成 ソニケーターUIP1000hdTを使用して
研究および画像：©Prekob et al, 2020
フィッシャー・トロプシュ触媒の超音波調製
フィッシャー・トロプシュ・プロセスには、一酸化炭素と水素の混合物を液体炭化水素に変換するいくつかの化学反応が含まれる。フィッシャー・トロプシュ合成には様々な触媒が使用できるが、最も頻繁に使用されるのは遷移金属のコバルト、鉄、ルテニウムである。高温フィッシャー・トロプシュ合成には鉄触媒が使用される。
フィッシャー・トロプシュ触媒は硫黄含有化合物による触媒被毒の影響を受けやすいため、超音波による再活性化は、触媒活性と選択性を完全に維持するために非常に重要である。
- 析出または結晶化
- (ナノ)サイズと形状が十分に制御された粒子
- 表面改質・機能化
- ドープ粒子またはコアシェル粒子の合成
- メソポーラス構造化
コアシェル触媒の超音波合成
コアシェルナノ構造とは、ナノ粒子をカプセル化し、外殻で保護したもので、ナノ粒子を隔離し、触媒反応中の移動や合体を防ぐ。
Pirolaら（2010）は、活性金属を高充填したシリカ担持鉄系フィッシャー・トロプシュ触媒を調製した。彼らの研究では、シリカ担体への超音波含浸が金属析出を改善し、触媒活性を向上させることが示された。フィッシャー・トロプシュ合成の結果から、超音波含浸によって調製された触媒が最も効率的であることが示され、特に超音波含浸をアルゴン雰囲気で行った場合に顕著であった。
UIP2000hdT – 2kW強力ソニケーター 触媒を調製する。
超音波による触媒の再活性化
超音波粒子表面処理は、使用済み触媒や不動態化触媒を再生・再活性化するための迅速かつ簡便な方法である。触媒は再生可能であるため、再活性化と再利用が可能であり、経済的で環境に優しいプロセス工程となる。
超音波粒子処理により、触媒反応サイトをブロックする不活性化不動態化層、ファウリングおよび不純物を触媒粒子から除去する。使用済み触媒スラリーを超音波処理すると、触媒粒子表面がジェット洗浄され、触媒活性部位から沈殿物が除去される。超音波処理後、触媒活性は新鮮な触媒と同じ効果まで回復する。さらに、超音波処理によって凝集体が破壊され、単分散粒子の均質で均一な分布が得られるため、粒子表面積が増大し、触媒活性部位が増加する。したがって、超音波による触媒回収は、物質移動を改善するための高い活性表面積を有する再生触媒をもたらす。
超音波触媒再生は、鉱物粒子、金属粒子、（メソ）多孔質粒子、ナノコンポジットに有効である。
Read more about ultrasonic regeneration of spent catalysts!
フィッシャー・トロプシュ触媒のソノケミカル合成のための高性能ソニケーター
Hielscher社製ソニケーターは、その堅牢な設計、精度、拡張性により、触媒合成において非常に好まれており、一般的な超音波処理装置と比較して大きな利点を提供します。これらの装置は、前駆物質の均一な分散を達成し、触媒粒子の正確な核生成と成長を促進するために重要な、精密に制御可能な高強度の超音波エネルギーを提供します。洗練された制御システムにより、研究者は出力やパルス持続時間などのパラメーターを正確に調整することができ、材料科学において重要な要素である再現性の高い実験結果を保証します。さらに、Hielscher社のソニケーターは耐久性に優れ、実験室の少量バッチからパイロットプラントまで、様々なスケールに対応できることで知られています。これにより、有望な触媒処方をベンチスケールの研究から産業応用へと効率的に移行することができます。ドイツのエンジニアリングと製造基準により、Hielscherの超音波装置は、高負荷がかかる24時間365日の運転でも確実に作動します。
下の表は、ソニッケーターの処理能力の目安です：
| バッチ量 | 流量 | 推奨デバイス |
|---|---|---|
| 1〜500mL | 10～200mL/分 | UP100H |
| 10〜2000mL | 20～400mL/分 | UP200Ht, UP400ST |
| 0.1～20L | 0.2～4L/分 | UIP2000hdT |
| 10～100L | 2～10L/分 | UIP4000hdT |
| n.a. | 10～100L/分 | uip16000 |
| n.a. | より大きい | クラスタ uip16000 |
お問い合わせ/ お問い合わせ
知っておくべき事実
フィッシャー・トロプシュ反応とは？
フィッシャー・トロプシュ反応は、一酸化炭素と水素の混合物である合成ガスを、アルカン、アルケン、ワックス、液体燃料などの炭化水素に変換する触媒化学プロセスである。石炭、天然ガス、バイオマス、あるいはCO₂由来の合成ガスから合成燃料や化学物質を製造するための重要なルートである。
フィッシャー・トロプシュ触媒とは？
フィッシャー・トロプシュ触媒は、一酸化炭素の水素化および連鎖成長を促進する固体触媒材料であり、水素とともに炭化水素に変換する。最も広く使用されている活性金属は鉄、コバルト、ルテニウムで、表面積、安定性、選択性を向上させるため、アルミナ、シリカ、チタニア、カーボンなどの材料に担持されることが多い。
フィッシャー・トロプシュ反応を利用する産業とは？
フィッシャー・トロプシュ反応は、合成燃料産業、石油化学産業、ガス・ツー・リキッド製造、石炭・ツー・リキッド製造、バイオマス・ツー・リキッド製造、新興の電力・ツー・リキッドおよび炭素回収利用分野で使用されている。特にディーゼル、ジェット燃料、潤滑油、ワックス、オレフィン、その他の炭化水素原料の生産に適している。
フィッシャー・トロプシュ触媒の用途とは？
フィッシャー・トロプシュ合成は、合成ガス（COとHの混合ガス）から燃料や化学物質を製造する際に適用される触媒プロセスのカテゴリーである。2)である。
フィッシャー・トロプシュ・プロセスでは、遷移金属を含む触媒を使用して、石炭、天然ガス、バイオマス、さらには廃棄物など、さまざまな炭素含有資源から得られる非常に基本的な出発原料である水素と一酸化炭素から炭化水素を製造する。
文献・参考文献
- 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.
