Μια θεμελιώδης ανακάλυψη σχετικά με τη διαδικασία Fischer – Tropsch, μια καταλυτική αντίδραση που χρησιμοποιείται στη βιομηχανία για τη μετατροπή άνθρακα, φυσικού αερίου ή βιομάζας σε υγρά καύσιμα, θα μπορούσε κάποτε να επιτρέψει την πιο αποτελεσματική παραγωγή καυσίμου.
Οι ερευνητές του Washington State University ανακάλυψαν προηγουμένως άγνωστες αυτοσυντηρούμενες ταλαντώσεις στη διαδικασία Fischer – Tropsch. Βρήκαν ότι σε αντίθεση με πολλές καταλυτικές αντιδράσεις που έχουν μια σταθερή κατάσταση, αυτή η αντίδραση κινείται περιοδικά εμπρός και πίσω από μια κατάσταση υψηλής σε χαμηλή δραστηριότητα. Η ανακάλυψη, που αναφέρεται στο Science, σημαίνει ότι αυτές οι καλά ελεγχόμενες ταλαντωτικές καταστάσεις ενδέχεται να χρησιμοποιηθούν στο μέλλον για την ενίσχυση του ρυθμού αντίδρασης και των αποδόσεων των επιθυμητών προϊόντων.
“Συνήθως, οι ταλαντώσεις ρυθμού με μεγάλες διακυμάνσεις στη θερμοκρασία είναι ανεπιθύμητες στη χημική βιομηχανία λόγω ανησυχιών για την ασφάλεια“, δήλωσε ο αντίστοιχος συγγραφέας Norbert Kruse, διακεκριμένος καθηγητής Voiland στο Gene και η Linda Voiland School of Chemical Engineering and Bioengineering. “Στην παρούσα περίπτωση, οι ταλαντώσεις είναι υπό έλεγχο και μηχανιστικά καλά κατανοητές. Με μια τέτοια βάση κατανόησης, τόσο πειραματικά όσο και θεωρητικά, η προσέγγιση στην έρευνα και ανάπτυξη μπορεί να είναι εντελώς διαφορετική — έχετε πραγματικά μια προσέγγιση βασισμένη στη γνώση, και αυτό θα μας βοηθήσει πάρα πολύ“.
Παρόλο που η διαδικασία Fischer – Tropsch χρησιμοποιείται συνήθως για την παραγωγή καυσίμων και χημικών, οι ερευνητές είχαν ελάχιστη κατανόηση του πώς λειτουργεί η πολύπλοκη διαδικασία καταλυτικής μετατροπής. Η διαδικασία χρησιμοποιεί έναν καταλύτη για να μετατρέψει δύο απλά μόρια, το υδρογόνο και το μονοξείδιο του άνθρακα, σε μακριές αλυσίδες μορίων — τους υδρογονάνθρακες που χρησιμοποιούνται ευρέως στην καθημερινή ζωή.
Ενώ μια προσέγγιση δοκιμής και λάθους έχει χρησιμοποιηθεί στην έρευνα και ανάπτυξη στις βιομηχανίες καυσίμων και χημικών για περισσότερο από έναν αιώνα, οι ερευνητές θα είναι πλέον σε θέση να σχεδιάζουν καταλύτες πιο σκόπιμα και να συντονίζουν την αντίδραση ώστε να προκαλούν ταλαντωτικές καταστάσεις που θα μπορούσαν να βελτιώσουν την καταλυτική εκτέλεση.
Οι ερευνητές αντιμετώπισαν για πρώτη φορά τις ταλαντώσεις τυχαία, αφού ο μεταπτυχιακός φοιτητής Rui Zhang πλησίασε τον Kruse με ένα πρόβλημα: δεν ήταν σε θέση να σταθεροποιήσει τη θερμοκρασία στην αντίδρασή του. Καθώς το μελετούσαν μαζί, ανακάλυψαν τις εκπληκτικές ταλαντώσεις.
Οι ερευνητές όχι μόνο ανακάλυψαν ότι η αντίδραση αναπτύσσει καταστάσεις ταλαντευτικής αντίδρασης, αλλά και γιατί το κάνει. Δηλαδή, καθώς η θερμοκρασία της αντίδρασης ανεβαίνει λόγω της παραγωγής της θερμότητας, τα αντιδρώντα αέρια χάνουν την επαφή με την επιφάνεια του καταλύτη και η αντίδρασή τους επιβραδύνεται, γεγονός που μειώνει τη θερμοκρασία. Μόλις η θερμοκρασία είναι αρκετά χαμηλή, η συγκέντρωση των αντιδρώντων αερίων στην επιφάνεια του καταλύτη αυξάνεται και η αντίδραση ανεβάζει ξανά ταχύτητα. Κατά συνέπεια, η θερμοκρασία αυξάνεται για να κλείσει ο κύκλος.
Για τη μελέτη, οι ερευνητές κατέδειξαν την αντίδραση σε ένα εργαστήριο χρησιμοποιώντας έναν συχνά χρησιμοποιούμενο καταλύτη κοβαλτίου, που ρυθμίστηκε με την προσθήκη οξειδίου του Δημητρίου και στη συνέχεια μοντελοποίησαν τον τρόπο λειτουργίας του. Ο συν-συγγραφέας Pierre Gaspard στο Université Libre de Bruxelles ανέπτυξε ένα σχήμα αντίδρασης και θεωρητικά επέβαλε περιοδικά μεταβαλλόμενες θερμοκρασίες για να αναπαράγει τους πειραματικούς ρυθμούς και τις επιλεκτικότητες της αντίδρασης.
«Είναι τόσο όμορφο που μπορέσαμε να το διαμορφώσουμε θεωρητικά», είπε ο αντίστοιχος συγγραφέας Yong Wang, καθηγητής στο Voiland School του WSU, ο οποίος συμβουλεύτηκε επίσης τον Zhang. «Τα θεωρητικά και τα πειραματικά δεδομένα σχεδόν συνέπεσαν».
Ο Kruse εργάζεται σε ταλαντωτικές αντιδράσεις για περισσότερα από 30 χρόνια. Η ανακάλυψη της ταλαντωτικής συμπεριφοράς με την αντίδραση Fischer Tropsch ήταν πολύ περίπλοκη επειδή η αντίδραση είναι μηχανιστικά εξαιρετικά περίπλοκη.
“Έχουμε πολλή απογοήτευση μερικές φορές στην έρευνά μας επειδή τα πράγματα δεν πάνε όπως νομίζεις ότι θα έπρεπε, αλλά υπάρχουν στιγμές που δεν μπορείς να περιγράψεις“, είπε ο Kruse. “Είναι τόσο ικανοποιητικό, αλλά η “ανταμοιβή” είναι αδύναμη έκφραση για τον ενθουσιασμό που είχα αυτή τη φανταστική ανακάλυψη“.
Η εργασία υποστηρίχθηκε από το Chambroad Chemical Industry Research Institute Co., Ltd., το National Science Foundation(NSF) και το πρόγραμμα Basic Energy Sciences Catalysis Science του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ.
Επιστημονικό Άρθρο:
Rui Zhang, Yong Wang, Pierre Gaspard, and Norbert Kruse. The oscillating Fischer-Tropsch reaction. Science, 2023
Dim Gerliotis
sciencesocietyweb
Society of Science 
Leave a comment