Исследователи из Университета штата Вашингтон обнаружили автоколебания в процессе синтеза Фишера-Тропша, ключевом промышленном методе преобразования угля, природного газа или биомассы в жидкое топливо. Этот прорыв демонстрирует колебательное поведение реакции, а не стационарное состояние, что потенциально может привести к более эффективному и контролируемому производству топлива. Это открытие обеспечивает новый, основанный на знаниях подход к проектированию катализаторов и оптимизации процессов в химической промышленности.
Исследователи из Университета штата Вашингтон совершили крупный прорыв в понимании процесса синтеза Фишера-Тропша, ключевого промышленного метода преобразования угля, природного газа или биомассы в жидкое топливо. В отличие от многих каталитических реакций, которые остаются в стабильном состоянии, они обнаружили, что процесс Фишера-Тропша демонстрирует автоколебания, чередуя состояния высокой и низкой активности.
Открытие, опубликованное в журнале Science, открывает возможность оптимизации скорости реакции и увеличения выхода желаемых продуктов, что потенциально позволит более эффективно производить топливо в будущем.
Автор-корреспондент Норберт Крузе, заслуженный профессор Воланда в Школе химической инженерии и биоинженерии Джина и Линды Воланд при Университете Западного Сиднея, сказал: «Обычно химическая промышленность не хочет иметь колебания скорости с большими изменениями температуры из соображений безопасности. В данном случае колебания контролируемы и механически хорошо понятны. Наличие такой основы для экспериментального и теоретического понимания делает подход к разработке совершенно другим - это позволяет нам действительно иметь подход, основанный на знаниях, который будет пройти долгий путь».
Переосмысление конструкции катализатора
Хотя процесс синтеза Фишера-Тропша обычно используется в топливном и химическом производстве, исследователи мало знают о том, как работает этот сложный процесс каталитической конверсии. В этом процессе используются катализаторы для преобразования двух простых молекул, водорода и монооксида углерода, в длинные молекулярные цепи — углеводороды, широко используемые в повседневной жизни.
На протяжении более столетия исследования и разработки в топливной и химической промышленности основывались на методе проб и ошибок, но теперь исследователи смогут более целенаправленно разрабатывать катализаторы и настраивать реакции, чтобы вызвать колебательные состояния, улучшающие каталитические характеристики.
Исследователи наткнулись на явление колебаний после того, как аспирант Чжан Жуй поставил перед Крузе проблему: он не смог стабилизировать температуру реакции. Когда они изучали его вместе, они обнаружили удивительные колебания.
Исследователи не только обнаружили, что реакция приводит к колебательному состоянию реакции, но и почему. То есть, когда тепло, выделяемое в результате реакции, вызывает повышение температуры, газы-реагенты теряют контакт с поверхностью катализатора, и скорость реакции замедляется, тем самым снижая температуру. Когда температура становится достаточно низкой, концентрация реакционноспособных газов на поверхности катализатора увеличивается и скорость реакции увеличивается. Поэтому температура повышается и цикл завершается.
Теория и эксперимент сходятся
В ходе исследования ученые продемонстрировали реакцию в лаборатории с использованием широко используемого кобальтового катализатора, настроенного путем добавления оксида церия, а затем смоделировали, как она работает. Один из соавторов, Пьер Гаспар из Свободного университета Брюсселя, разработал протокол реакции и теоретически ввел периодически изменяющиеся температуры, чтобы воспроизвести экспериментальную скорость и селективность реакции.
Собеседник-корреспондент Йонг Ван, профессор Регента в Валландер-колледже Университета Западного Сиднея, сказал: «Действительно замечательно, что мы смогли построить модель теоретически. Теоретические данные и экспериментальные данные почти согласуются».
Крузе занимается изучением колебательных реакций более 30 лет. Открытие колебательного поведения реакции Фишера-Тропша было неожиданным, поскольку реакция чрезвычайно сложна с механистической точки зрения.
«В наших исследованиях мы иногда сталкиваемся с множеством неудач, потому что все идет не так, как вы себе представляли, но есть и моменты, которые вы не можете описать», — сказал Крузе. «Это такое чувство выполненного долга, но «чувство достижения» слишком слабое, чтобы описать волнение от этого важного прорыва».