Покращені каталізатори Фішера–Тропша за допомогою ультразвукової обробки

Покращений синтез каталізаторів Фішера–Тропша за допомогою ультразвуку: ультразвукова обробка частинок каталізатора використовується для кількох цілей. Ультразвуковий синтез допомагає створювати модифіковані або функціоналізовані наночастинки, які мають високу каталітичну активність. Відпрацьовані та отруєні каталізатори можна легко та швидко відновити за допомогою ультразвукової обробки поверхні, яка видаляє інактивуюче забруднення з каталізатора. Нарешті, ультразвукова дезагломерація та диспергування забезпечують однорідний, монодисперсний розподіл частинок каталізатора, щоб гарантувати високу активну поверхню частинок та масоперенесення для оптимального каталітичного перетворення.

Переваги ультразвукової підготовки каталізаторів для процесів Фішера–Тропша

Ультразвукова обробка пропонує значні переваги в синтезі каталізаторів Фішера–Тропша, переважно завдяки їхній здатності забезпечувати точний контроль над морфологією каталізатора та розподілом активних центрів. Високоенергетична кавітація, що генерується ультразвуковими хвилями, забезпечує швидке змішування та ефективну дезагломерацію прекурсорних матеріалів, що призводить до дуже однорідного розподілу розмірів частинок та збільшення площі поверхні. Ця підвищена гомогенність забезпечує кращу дисперсію активних компонентів, що є критично важливим для максимізації кількості доступних реакційних центрів. Крім того, контрольована кінетика змішування часто призводить до утворення дуже стабільних та пористих структур, тим самим покращуючи каталітичну ефективність, селективність та довгострокову стабільність каталізатора в жорстких умовах реакції.

Вплив ультразвуку на каталізатори

Ультразвук високої потужності добре відомий своїм позитивним впливом на хімічні реакції. Коли інтенсивні ультразвукові хвилі вводяться в рідке середовище, генерується акустична кавітація. Ультразвукова кавітація створює локально екстремальні умови з дуже високими температурами до 5 000K, тисками приблизно 2 000atm та рідкими струменями зі швидкістю до 280m/s. Явище акустичної кавітації та її вплив на хімічні процеси відоме під терміном сонохімія.
Поширеним застосуванням ультразвуку є підготовка гетерогенних каталізаторів: сили кавітації ультразвуку активують площу поверхні каталізатора, оскільки кавітаційна ерозія генерує непасивовані, високо реакційноздатні поверхні. Крім того, масоперенесення суттєво покращується завдяки турбулентному потоку рідини. Високі зіткнення частинок, спричинені акустичною кавітацією, видаляють поверхневі оксидні покриття порошкових частинок, що призводить до реактивації поверхні каталізатора.
 

Синтез каталізатора, легованого палладієм з використанням ультразвукового гомогенізатора UIP1000hdT
Дослідження та зображення: ©Prekob et al., 2020

Ультразвукова підготовка каталізаторів Фішера–Тропша

Процес Фішера–Тропша включає кілька хімічних реакцій, які перетворюють суміш чадного газу та водню на рідкі вуглеводні. Для синтезу Фішера–Тропша можна використовувати різноманітні каталізатори, але найчастіше використовуються перехідні метали: кобальт, залізо та рутеній. Високотемпературний синтез Фішера–Тропша здійснюється з залізним каталізатором.
Оскільки каталізатори Фішера–Тропша схильні до отруєння каталізатора сполуками, що містять сірку, ультразвукова реактивація має велике значення для підтримання повної каталітичної активності та селективності.

Ультразвуковий синтез каталізаторів типу ядро-оболонка

Наноструктури типу ядро–оболонка – це наночастинки, інкапсульовані та захищені зовнішньою оболонкою, яка ізолює наночастинки та запобігає їхній міграції та коалесценції під час каталітичних реакцій

Pirola et al. (2010) підготували залізовмісні каталізатори Фішера–Тропша на носії з діоксиду кремнію з високим навантаженням активного металу. У їхньому дослідженні показано, що ультразвуково-асистоване просочення носія з діоксиду кремнію покращує відкладення металу та підвищує активність каталізатора. Результати синтезу Фішера–Тропша вказали на те, що каталізатори, підготовлені за допомогою ультразвукової обробки, є найбільш ефективними, особливо коли ультразвукове просочення виконується в атмосфері аргону.

 

Ультразвукова реактивація каталізаторів

Ультразвукова обробка поверхні частинок – це швидкий та простий метод регенерації та реактивації відпрацьованих та пасивованих каталізаторів. Здатність каталізатора до регенерації дозволяє його реактивувати та повторно використовувати, що, таким чином, є економічним та екологічно безпечним етапом процесу.
Ультразвукова обробка частинок видаляє інактивуючі пасивуючі шари, забруднення та домішки з частинок каталізатора, які блокують центри для каталітичної реакції. Ультразвукова обробка суспензії відпрацьованого каталізатора призводить до струменевого промивання поверхні частинок каталізатора, тим самим видаляючи відкладення з каталітично активного центру. Після ультразвукової обробки активність каталізатора відновлюється до тієї ж ефективності, що й у свіжого каталізатора. Крім того, ультразвукова обробка руйнує агломерати та забезпечує гомогенний, однорідний розподіл монодисперсних частинок, що збільшує площу поверхні частинок і, таким чином, активний каталітичний центр. Отже, ультразвукове відновлення каталізатора дає регенеровані каталізатори з високою активною площею поверхні для покращеного масоперенесення.
Ультразвукова регенерація каталізаторів працює для мінеральних та металевих частинок, (мезо-)пористих частинок та нанокомпозитів.
Дізнайтеся більше про ультразвукову регенерацію відпрацьованих каталізаторів!

Високопродуктивні ультразвукові гомогенізатори для сонохімічного синтезу каталізаторів Фішера–Тропша

Ультразвукові гомогенізатори Hielscher дуже цінуються в синтезі каталізаторів завдяки їхній надійній конструкції, точності та масштабованості, пропонуючи значні переваги порівняно зі загальним обладнанням для ультразвукової обробки. Ці пристрої забезпечують точно контрольовану та високоінтенсивну ультразвукову енергію, яка є критично важливою для досягнення однорідного диспергування прекурсорних матеріалів та сприяння точному зародженню та росту частинок каталізатора. Складні системи управління дозволяють дослідникам точно регулювати такі параметри, як вихідна потужність та тривалість імпульсу, забезпечуючи відтворювані експериментальні результати – життєво важливий фактор у матеріалознавстві. Крім того, ультразвукові гомогенізатори Hielscher відомі своєю довговічністю та здатністю працювати з різними масштабами, від невеликих лабораторних партій до пілотних установок, що дозволяє ефективно переходити від перспективних формуляцій каталізаторів з лабораторних досліджень до промислового застосування. Німецькі стандарти інженерії та виробництва гарантують, що ультразвукове обладнання Hielscher може надійно працювати в режимі 24/7 під важкими навантаженнями.

Нижче наведена таблиця дає уявлення про приблизну продуктивність обробки наших ультразвукових гомогенізаторів:

Література / Посилання

• 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.