超音波処理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・トロプシュ触媒合成の改良：触媒粒子の超音波処理は、さまざまな目的で使用されます。超音波合成は、高い触媒活性を持つ、改質または機能化されたナノ粒子の作製に役立ちます。使用済みの触媒や被毒した触媒は、活性を低下させる付着汚れを触媒から除去する超音波表面処理により、容易かつ迅速に再生できます。さらに、超音波による解凝集と分散によって触媒粒子が均一な単分散状態となり、最適な触媒変換に必要な大きな活性粒子表面と物質移動が確保されます。

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

超音波処理は、主に触媒の形態と活性点の分布を精密に制御できるため、フィッシャー・トロプシュ触媒の合成に大きな利点をもたらします。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、迅速な混合と前駆体材料の効果的な解凝集を確実にし、極めて均一な粒径分布と表面積の増大につながります。この均一性の向上によって活性成分の分散性が高まります。これは、反応物がアクセスできる反応部位の数を最大化するうえで不可欠です。さらに、混合の速度論的挙動を制御することで、高い安定性を持つ多孔質構造が形成されることが多く、過酷な反応条件下における触媒性能、選択性、および長期安定性が向上します。

触媒に対する超音波の効果

高出力超音波は、化学反応に好影響を与えることでよく知られています。強力な超音波を液体媒体に導入すると、音響キャビテーションが発生します。超音波キャビテーションは、最高5,000Kの非常に高い温度、約2,000atmの圧力、および最高280m/sの速度の液体ジェットを伴う、局所的に極端な条件を生み出します。音響キャビテーションという現象と、それが化学プロセスに及ぼす影響は、ソノケミストリーという用語で知られています。
超音波の一般的な用途は、不均一系触媒の調製です。キャビテーションによる侵食が、不動態化していない反応性の高い表面を生み出すため、超音波キャビテーションの力によって触媒表面が活性化されます。さらに、乱流状の液体流動によって物質移動が大幅に改善されます。音響キャビテーションによって生じる激しい粒子衝突は、粉末粒子の表面酸化物被膜を除去し、触媒表面を再活性化します。

パラジウムドープ触媒の超音波合成。超音波処理装置 UIP1000hdTを使用してalladiumイオンをPdナノ粒子に還元し、窒素ドープカーボンナノチューブ（N-BCNT）の表面に析出させます。

パラジウムドープ触媒の合成 – 超音波処理装置 UIP1000hdTを使用
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複数の化学反応が含まれます。フィッシャー・トロプシュ合成にはさまざまな触媒を使用できますが、最も頻繁に使用されるのは、遷移金属であるコバルト、鉄、およびルテニウムです。高温フィッシャー・トロプシュ合成は、鉄触媒を用いて行われます。
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を受けやすいため、触媒活性と選択性を完全に維持するうえで、超音波による再活性化は非常に重要です。

超音波触媒合成の利点

沈殿または結晶化
サイズと形状が適切に制御された（ナノ）粒子
改質および機能化された表面特性
ドープ粒子またはコア–シェル粒子の合成
メソ多孔質構造の形成

コア–シェル触媒の超音波合成

コア–シェルナノ構造は、ナノ粒子を隔離し、触媒反応中の移動と合体を防ぐ外殻によって包み込まれ、保護されたナノ粒子です。

Pirola et al. (2010)は、活性金属を高担持量で含む、シリカ担持鉄系フィッシャー・トロプシュ触媒を調製しました。この研究では、シリカ担体への超音波支援含浸によって金属の析出が改善され、触媒活性が向上することが示されています。フィッシャー・トロプシュ合成の結果から、超音波処理で調製した触媒が最も効率的であることが示されており、特にアルゴン雰囲気中で超音波含浸を行った場合に顕著でした。

この動画では、7mmのソノトロードを備えたHielscherの200ワット超音波ホモジナイザーUP200Stを、ガラス製リアクター底部の標準的なガラス継手に取り付けています。水平、垂直、その他任意の方向に取り付けることができます。1つのリアクター容器に複数の超音波プローブを、例えば異なる高さに取り付けることも可能です。液面の変動に対応しやすいため、側面または底部からの取り付けがよく選ばれます。超音波攪拌は、従来のオーバーヘッドスターラーと併用できます。

超音波による触媒の再活性化

超音波による粒子表面処理は、使用済みの触媒や不動態化した触媒を再生し、再活性化するための迅速かつ容易な方法です。触媒は再生可能であるため、再活性化して再使用でき、この工程は経済的で環境に優しいプロセスステップとなります。
超音波による粒子処理は、触媒反応部位を塞いで活性を低下させる不動態層、付着汚れ、および不純物を触媒粒子から除去します。使用済み触媒の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、触媒活性点から堆積物が除去されます。超音波処理後、触媒活性は新品の触媒と同じ有効性まで回復します。さらに、超音波処理は凝集体を破砕し、単分散粒子の均質で均一な分布をもたらします。これにより粒子表面積が増大し、触媒活性点も増加します。したがって、超音波による触媒の再生によって、物質移動の改善に寄与する大きな活性表面積を持つ再生触媒が得られます。
超音波による触媒再生は、鉱物粒子、金属粒子、（メソ）多孔質粒子、およびナノ複合材料に適用できます。
使用済み触媒の超音波再生について詳しくご覧ください！

フィッシャー・トロプシュ触媒のソノケミカル合成用高性能超音波処理装置

Hielscherの超音波処理装置は、堅牢な設計、精密さ、およびスケーラビリティにより、触媒合成で高く支持されており、一般的な超音波処理装置に比べて大きな利点をもたらします。これらの装置は、精密に制御可能な高強度の超音波エネルギーを供給します。これは、前駆体材料を均一に分散させ、触媒粒子の精密な核生成と成長を促進するために不可欠です。高度な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でき、材料科学における重要な要素である実験結果の再現性が確保されます。さらに、Hielscherの超音波処理装置は、耐久性と、小規模な実験室バッチからパイロットプラント運転まで、さまざまな規模に対応できる能力で知られています。これにより、有望な触媒配合をベンチスケールの研究から産業用途へ効率的に移行できます。ドイツの工学および製造基準により、Hielscherの超音波装置は、高負荷のもとで24時間・週7日の連続運転を確実に行えます。

以下の表は、当社の超音波処理装置のおおよその処理能力の目安を示しています。

バッチ容量	流量	推奨装置
1–500mL	10–200mL/min	UP100H
10–2000mL	20–400mL/min	UP200Ht, UP400St
0.1–20L	0.2–4L/min	UIP2000hdT
10–100L	2–10L/min	UIP4000hdT
n.a.	10–100L/min	UIP16000
n.a.	より大きい流量	クラスター構成の UIP16000

お問い合わせください！ / ご質問ください！

知っておきたい基礎知識

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、および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す。石炭、天然ガス、バイオマス、またはCO₂由来の合成ガスから合成燃料や化学品を製造するための重要な経路です。

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、一酸化炭素と水素から、水素化および鎖成長によって炭化水素へと変換する反応を促進する固体触媒材料です。最も広く使用されている活性金属は鉄、コバルト、およびルテニウムであり、表面積、安定性、および選択性を向上させるため、アルミナ、シリカ、チタニア、または炭素などの材料に担持されることがよくあります。

フィッシャー・トロプシュ反応はどの産業で使用されていますか？

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、ガスの液体燃料化、石炭の液体燃料化、バイオマスの液体燃料化、および新興の電力による液体燃料製造や炭素回収・利用の分野で使用されています。特に、ディーゼル燃料、ジェット燃料、潤滑剤、ワックス、オレフィン、およびその他の炭化水素原料の製造に関わる重要な反応です。

フィッシャー・トロプシュ触媒にはどのような用途がありますか？

フィッシャー・トロプシュ合成は、合成ガス（COとH₂の混合物）から燃料や化学品を製造する際に適用される触媒プロセスの一種です。合成ガスは、天然ガス、石炭、またはバイオマスから
得ることができます。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、水素と一酸化炭素という極めて基本的な出発原料から炭化水素を製造します。これらの出発原料は、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ることができます。

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.