Uzlaboti Fišera–Tropša katalizatori, izmantojot apstrādi ar ultraskaņu

Uzlabota Fišera–Tropša katalizatoru sintēze ar ultraskaņu: katalizatora daļiņu apstrādi ar ultraskaņu izmanto vairākiem mērķiem. Ultraskaņas sintēze palīdz radīt modificētas vai funkcionalizētas nanodaļiņas ar augstu katalītisko aktivitāti. Izlietotus un saindētus katalizatorus var viegli un ātri atjaunot ar virsmas apstrādi ar ultraskaņu, kas no katalizatora noņem aktivitāti mazinošus nosēdumus. Visbeidzot, deaglomerācija un disperģēšana ar ultraskaņu nodrošina vienmērīgu, monodispersu katalizatora daļiņu sadalījumu, lai panāktu lielu daļiņu aktīvās virsmas laukumu un masas pārnesi optimālai katalītiskajai konversijai.

Katalizatoru sagatavošanas ar ultraskaņu priekšrocības Fišera–Tropša procesos

Apstrāde ar ultraskaņu sniedz būtiskas priekšrocības Fišera–Tropša katalizatoru sintēzē, galvenokārt tāpēc, ka tā ļauj precīzi kontrolēt katalizatora morfoloģiju un aktīvo centru sadalījumu. Ultraskaņas viļņu radītā augstas enerģijas kavitācija nodrošina ātru sajaukšanu un efektīvu prekursoru materiālu deaglomerāciju, panākot ļoti vienmērīgu daļiņu izmēru sadalījumu un palielinātu virsmas laukumu. Šis uzlabotais viendabīgums nodrošina labāku aktīvo komponentu izkliedi, kas ir izšķiroši svarīgi, lai maksimāli palielinātu pieejamo reakcijas centru skaitu. Turklāt kontrolēta sajaukšanas kinētika bieži veicina ļoti stabilu un porainu struktūru veidošanos, tādējādi uzlabojot katalizatora katalītisko veiktspēju, selektivitāti un ilgtermiņa stabilitāti skarbos reakcijas apstākļos.

Ultraskaņas ietekme uz katalizatoriem

Lielas jaudas ultraskaņa ir labi pazīstama ar savu pozitīvo ietekmi uz ķīmiskajām reakcijām. Ievadot intensīvus ultraskaņas viļņus šķidrā vidē, rodas akustiskā kavitācija. Ultraskaņas kavitācija lokāli rada ekstremālus apstākļus ar ļoti augstu temperatūru līdz 5 000K, spiedienu aptuveni 2 000atm un šķidruma strūklām ar ātrumu līdz 280m/s. Akustiskās kavitācijas parādību un tās ietekmi uz ķīmiskajiem procesiem apzīmē ar terminu sonoķīmija.
Izplatīts ultraskaņas lietojums ir heterogēnu katalizatoru sagatavošana: ultraskaņas kavitācijas spēki aktivē katalizatora virsmu, jo kavitācijas erozija rada nepasivētas, ļoti reaģētspējīgas virsmas. Turklāt turbulentā šķidruma plūsma būtiski uzlabo masas pārnesi. Akustiskās kavitācijas izraisītās intensīvās daļiņu sadursmes noņem oksīdu pārklājumus no pulvera daļiņu virsmas, tādējādi reaktivējot katalizatora virsmu.
 

Ar pallādiju leģēta katalizatora sintēze ar ultraskaņas apstrādes iekārtu UIP1000hdT
Pētījums un attēls: ©Prekob et al., 2020

Fišera–Tropša katalizatoru sagatavošana ar ultraskaņu

Fišera–Tropša process ietver vairākas ķīmiskās reakcijas, kurās oglekļa monoksīda un ūdeņraža maisījums tiek pārvērsts šķidros ogļūdeņražos. Fišera–Tropša sintēzē var izmantot dažādus katalizatorus, taču visbiežāk izmanto pārejas metālus kobaltu, dzelzi un rutēniju. Augstas temperatūras Fišera–Tropša sintēzi veic ar dzelzs katalizatoru.
Tā kā Fišera–Tropša katalizatori ir uzņēmīgi pret saindēšanos ar sēru saturošiem savienojumiem, reaktivācija ar ultraskaņu ir ļoti svarīga, lai saglabātu pilnu katalītisko aktivitāti un selektivitāti.

Katalizatoru ar kodola–apvalka struktūru sintēze ar ultraskaņu

Kodola–apvalka nanostruktūras ir nanodaļiņas, kuras iekapsulē un aizsargā ārējais apvalks, kas izolē nanodaļiņas un novērš to migrāciju un saplūšanu katalītisko reakciju laikā

Pirola et al. (2010) ir sagatavojuši dzelzs bāzes Fišera–Tropša katalizatorus uz silīcija dioksīda nesēja ar augstu aktīvā metāla saturu. Viņu pētījumā parādīts, ka silīcija dioksīda nesēja impregnēšana ar ultraskaņas palīdzību uzlabo metāla nogulsnēšanos un palielina katalizatora aktivitāti. Fišera–Tropša sintēzes rezultāti liecina, ka ar ultraskaņu sagatavotie katalizatori ir visefektīvākie, īpaši tad, ja impregnēšanu ar ultraskaņu veic argona atmosfērā.

Katalizatoru reaktivācija ar ultraskaņu

Daļiņu virsmas apstrāde ar ultraskaņu ir ātra un vienkārša metode izlietotu un pasivētu katalizatoru reģenerācijai un reaktivācijai. Katalizatora reģenerējamība ļauj to reaktivēt un izmantot atkārtoti, tādēļ šis procesa posms ir ekonomisks un videi draudzīgs.
Daļiņu apstrāde ar ultraskaņu no katalizatora daļiņas noņem aktivitāti mazinošus pasivējošus slāņus, nosēdumus un piemaisījumus, kas bloķē katalītiskās reakcijas centrus. Izlietota katalizatora suspensijas apstrāde ar ultraskaņu izraisa katalizatora daļiņu virsmas mazgāšanu ar strūklām, tādējādi noņemot nogulsnes no katalītiski aktīvā centra. Pēc apstrādes ar ultraskaņu katalizatora aktivitāte tiek atjaunota līdz tādai pašai efektivitātei kā jaunam katalizatoram. Turklāt apstrāde ar ultraskaņu sašķeļ aglomerātus un nodrošina viendabīgu, vienmērīgu monodispersu daļiņu sadalījumu, kas palielina daļiņu virsmas laukumu un līdz ar to arī katalītiski aktīvā centra laukumu. Tādējādi katalizatoru atjaunošana ar ultraskaņu nodrošina reģenerētus katalizatorus ar lielu aktīvās virsmas laukumu uzlabotai masas pārnesei.
Katalizatoru reģenerācija ar ultraskaņu ir piemērota minerālu un metālu daļiņām, (mezo)porainām daļiņām un nanokompozītiem.
Lasiet vairāk par izlietotu katalizatoru reģenerāciju ar ultraskaņu!

Augstas veiktspējas ultraskaņas apstrādes iekārtas Fišera–Tropša katalizatoru sonoķīmiskajai sintēzei

Hielscher ultraskaņas apstrādes iekārtas ir ļoti iecienītas katalizatoru sintēzē to izturīgās konstrukcijas, precizitātes un mērogojamības dēļ, sniedzot būtiskas priekšrocības salīdzinājumā ar vispārēja lietojuma ultraskaņas apstrādes aprīkojumu. Šīs iekārtas nodrošina precīzi kontrolējamu augstas intensitātes ultraskaņas enerģiju, kas ir izšķiroši svarīga, lai panāktu vienmērīgu prekursoru materiālu disperģēšanu un veicinātu precīzu katalizatora daļiņu kodolu veidošanos un augšanu. Pilnveidotās vadības sistēmas ļauj pētniekiem precīzi regulēt tādus parametrus kā izejas jauda un impulsa ilgums, nodrošinot reproducējamus eksperimentu rezultātus – tas ir būtisks faktors materiālzinātnē. Turklāt Hielscher ultraskaņas apstrādes iekārtas ir pazīstamas ar savu izturību un spēju darboties dažādos mērogos – no nelielām laboratorijas partijām līdz pilotiekārtu darbībai –, tādējādi nodrošinot efektīvu pāreju no daudzsološu katalizatoru sastāvu izpētes laboratorijas mērogā uz rūpniecisku lietojumu. Vācijas inženiertehniskie un ražošanas standarti nodrošina, ka Hielscher ultraskaņas aprīkojumu var uzticami darbināt 24/7 režīmā lielas slodzes apstākļos.

Tālāk redzamā tabula sniedz priekšstatu par mūsu ultraskaņas apstrādes iekārtu aptuveno apstrādes jaudu:

Literatūra / Atsauces

• 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.