Zdokonalené katalyzátory pre Fischerovu–Tropschovu syntézu pomocou sonikácie

Zdokonalená syntéza katalyzátorov pre Fischerovu–Tropschovu syntézu pomocou ultrazvuku: Ultrazvuková úprava častíc katalyzátora sa používa na viaceré účely. Ultrazvuková syntéza pomáha vytvárať modifikované alebo funkcionalizované nanočastice, ktoré majú vysokú katalytickú aktivitu. Použité a otrávené katalyzátory možno ľahko a rýchlo regenerovať ultrazvukovou úpravou povrchu, ktorá z katalyzátora odstraňuje usadeniny spôsobujúce jeho deaktiváciu. Napokon ultrazvuková deaglomerácia a dispergácia vedú k rovnomernému, monodisperznému rozdeleniu častíc katalyzátora, čím sa zabezpečuje veľká aktívna plocha povrchu častíc a prenos hmoty na optimálnu katalytickú premenu.

Výhody ultrazvukovej prípravy katalyzátorov pre Fischerove–Tropschove procesy

Sonikácia ponúka významné výhody pri syntéze katalyzátorov pre Fischerovu–Tropschovu syntézu, predovšetkým vďaka schopnosti umožniť jemné riadenie morfológie katalyzátora a rozloženia aktívnych miest. Vysokoenergetická kavitácia vytváraná ultrazvukovými vlnami zabezpečuje rýchle miešanie a účinnú deaglomeráciu prekurzorových materiálov, čo vedie k veľmi rovnomernému rozdeleniu veľkosti častíc a zväčšeniu plochy povrchu. Táto zvýšená homogenita vedie k lepšiemu rozptýleniu aktívnych zložiek, čo je rozhodujúce pre maximalizáciu počtu dostupných reakčných miest. Riadená kinetika miešania navyše často vedie k tvorbe vysoko stabilných a pórovitých štruktúr, čím zlepšuje katalytický výkon, selektivitu a dlhodobú stabilitu katalyzátora v náročných reakčných podmienkach.

Účinky ultrazvuku na katalyzátory

Vysokovýkonný ultrazvuk je dobre známy svojím pozitívnym vplyvom na chemické reakcie. Pri zavádzaní intenzívnych ultrazvukových vĺn do kvapalného prostredia vzniká akustická kavitácia. Ultrazvuková kavitácia vytvára lokálne extrémne podmienky s veľmi vysokými teplotami až 5 000K, tlakmi približne 2 000atm a kvapalinovými mikroprúdmi s rýchlosťou až 280m/s. Jav akustickej kavitácie a jeho účinky na chemické procesy sú známe pod pojmom sonochémia.
Bežnou aplikáciou ultrazvuku je príprava heterogénnych katalyzátorov: sily ultrazvukovej kavitácie aktivujú povrch katalyzátora, pretože kavitačná erózia vytvára nepasivované, vysoko reaktívne povrchy. Turbulentné prúdenie kvapaliny navyše výrazne zlepšuje prenos hmoty. Intenzívne zrážky častíc spôsobené akustickou kavitáciou odstraňujú povrchové oxidové vrstvy z práškových častíc, čo vedie k reaktivácii povrchu katalyzátora.
 

Syntéza katalyzátora dopovaného paládiom pomocou sonikátora UIP1000hdT
Štúdia a obrázok: ©Prekob et al., 2020

Ultrazvuková príprava katalyzátorov pre Fischerovu–Tropschovu syntézu

Fischerov–Tropschov proces zahŕňa niekoľko chemických reakcií, ktoré premieňajú zmes oxidu uhoľnatého a vodíka na kvapalné uhľovodíky. Pri Fischerovej–Tropschovej syntéze možno použiť rôzne katalyzátory, najčastejšie sa však používajú prechodné kovy kobalt, železo a ruténium. Vysokoteplotná Fischerova–Tropschova syntéza sa uskutočňuje so železným katalyzátorom.
Keďže katalyzátory pre Fischerovu–Tropschovu syntézu sú náchylné na otravu zlúčeninami obsahujúcimi síru, ultrazvuková reaktivácia má veľký význam pre zachovanie plnej katalytickej aktivity a selektivity.

Ultrazvuková syntéza katalyzátorov typu jadro–obal

Nanoštruktúry typu jadro–obal sú nanočastice zapuzdrené a chránené vonkajším obalom, ktorý nanočastice izoluje a zabraňuje ich migrácii a koalescencii počas katalytických reakcií

Pirola et al. (2010) pripravili katalyzátory pre Fischerovu–Tropschovu syntézu na báze železa na nosiči z oxidu kremičitého s vysokým obsahom aktívneho kovu. Ich štúdia ukazuje, že impregnácia nosiča z oxidu kremičitého za podpory ultrazvuku zlepšuje nanášanie kovu a zvyšuje aktivitu katalyzátora. Výsledky Fischerovej–Tropschovej syntézy ukázali, že katalyzátory pripravené ultrazvukom sú najúčinnejšie, najmä keď sa ultrazvuková impregnácia uskutočňuje v argónovej atmosfére.

Ultrazvuková reaktivácia katalyzátorov

Ultrazvuková úprava povrchu častíc je rýchla a jednoduchá metóda regenerácie a reaktivácie použitých a pasivovaných katalyzátorov. Regenerovateľnosť katalyzátora umožňuje jeho reaktiváciu a opätovné použitie, čím predstavuje hospodárny a environmentálne šetrný krok procesu.
Ultrazvuková úprava častíc odstraňuje z častice katalyzátora deaktivujúce pasivačné vrstvy, usadeniny a nečistoty, ktoré blokujú miesta katalytickej reakcie. Sonikácia suspenzie použitého katalyzátora vedie k čisteniu povrchu častíc katalyzátora kvapalinovými mikroprúdmi, čím sa odstraňujú usadeniny z katalyticky aktívneho miesta. Po ultrazvukovej úprave sa aktivita katalyzátora obnoví na rovnakú účinnosť, akú má čerstvý katalyzátor. Sonikácia navyše rozrušuje aglomeráty a zabezpečuje homogénne, rovnomerné rozdelenie monodisperzných častíc, čím sa zväčšuje plocha povrchu častíc, a tým aj katalyticky aktívneho miesta. Ultrazvuková regenerácia katalyzátora tak poskytuje regenerované katalyzátory s veľkou aktívnou plochou povrchu na zlepšenie prenosu hmoty.
Ultrazvuková regenerácia katalyzátorov funguje pri minerálnych a kovových časticiach, (mezo-)pórovitých časticiach a nanokompozitoch.
Prečítajte si viac o ultrazvukovej regenerácii použitých katalyzátorov!

Vysokovýkonné sonikátory na sonochemickú syntézu katalyzátorov pre Fischerovu–Tropschovu syntézu

Sonikátory Hielscher sú pri syntéze katalyzátorov veľmi obľúbené vďaka svojej robustnej konštrukcii, presnosti a škálovateľnosti a ponúkajú významné výhody oproti bežným sonikačným zariadeniam. Tieto zariadenia poskytujú presne regulovateľnú ultrazvukovú energiu s vysokou intenzitou, ktorá je rozhodujúca na dosiahnutie rovnomernej dispergácie prekurzorových materiálov a podporu presnej nukleácie a rastu častíc katalyzátora. Sofistikované riadiace systémy umožňujú výskumníkom presne regulovať parametre, ako sú výstupný výkon a trvanie impulzu, čím zabezpečujú reprodukovateľné experimentálne výsledky – zásadný faktor v materiálovej vede. Sonikátory Hielscher sú navyše známe svojou odolnosťou a schopnosťou pracovať v rôznych mierkach, od malých laboratórnych dávok až po poloprevádzkové zariadenia, čím umožňujú efektívny prechod sľubných katalytických formulácií z laboratórneho výskumu do priemyselného využitia. Nemecké konštrukčné a výrobné štandardy zabezpečujú, že ultrazvukové zariadenia Hielscher možno spoľahlivo prevádzkovať v režime 24/7 pri vysokom zaťažení.

Nasledujúca tabuľka poskytuje orientačný prehľad približnej spracovateľskej kapacity našich sonikátorov:

Literatúra / Referencie

• 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.