Geschikte katalysatoren zijn van groot belang voor efficiënte power-to-X-toepassingen, maar de moleculaire processen die plaatsvinden tijdens het gebruik ervan zijn nog niet volledig begrepen. Met behulp van röntgenstralen van een synchrotron-deeltjesversneller, wetenschappers van het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) hebben nu voor het eerst een katalysator kunnen waarnemen tijdens de Fischer-Tropsch-reactie die de productie van synthetische brandstoffen onder industriële omstandigheden vergemakkelijkt. De testresultaten zijn bedoeld om te gebruiken voor de ontwikkeling van op maat gemaakte power-to-X-katalysatoren. Het team heeft de resultaten gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Reactie &Chemische Technologie .

Op weg naar een CO ₂ -neutrale samenleving, power-to-X-processen (P2X), d.w.z. processen die hernieuwbare energie omzetten in chemische energiebronnen, de vervlechting van verschillende sectoren ondersteunen. Bijvoorbeeld, synthetische brandstoffen kunnen worden geproduceerd uit wind- of zonne-energie, klimaatvriendelijke mobiliteit en goederenvervoer mogelijk maken zonder extra uitstoot van broeikasgassen. De Fischer-Tropsch-synthese (FTS), die hiervoor onder meer nodig zijn, het opleveren van langketenige koolwaterstoffen voor de productie van benzine of diesel uit koolmonoxide en waterstof, is een ingeburgerd proces in de chemische industrie.

Echter, ook al zijn er meer dan honderd jaar verstreken sinds de ontdekking van deze technologie, de betrokken processen zijn wetenschappelijk nog steeds niet volledig begrepen:"Dit geldt met name voor de structurele veranderingen in de katalysatoren die nodig zijn voor het proces onder industriële omstandigheden, " zegt professor Jan-Dierk Grunwaldt van het Instituut voor Chemische Technologie en Polymeerchemie (ITCP) van het KIT. "Tijdens de reactie, er kunnen ongewenste bijproducten worden gevormd of er kunnen verstorende structurele veranderingen in de katalysator optreden. Tot dusver, er is onvoldoende uitgelegd hoe dit precies gebeurt tijdens de reactie en wat de effecten zijn op het totale proces."

In een transdisciplinair project in samenwerking met P2X-experts van het Institute for Micro Process Engineering (IMVT) en het Institute of Catalysis Research and Technology (IKFT) van KIT, het team heeft nu een doorbraak bereikt in het begrijpen van de FTS op atomair niveau. "Voor de analyse we gebruiken methoden van synchrotron-onderzoek, d.w.z. röntgenabsorptiespectroscopie en röntgendiffractie, " legt Marc-André Serrer (IKFT) uit, een van de auteurs van het onderzoek. "Dit was de eerste keer dat we konden kijken, bij wijze van spreken, een FTS-katalysator aan het werk op atomair niveau onder reële procesomstandigheden."

Terwijl katalytische reacties al eerder waren bestudeerd met een synchrotron, een speciale deeltjesversneller voor het genereren van bijzonder intense röntgenstraling, reacties die plaatsvinden over een lange periode en bij hoge temperaturen en drukken, zoals in realtime operatie op een P2X-faciliteit, tot dusver een obstakel vormden. Voor het experiment bij KIT, een nieuwe hogedrukinfrastructuur is nu toegevoegd aan de CAT-ACT-meetlijn (CATalysis en ACTinide-meetlijn) bestemd voor katalysatorstudies bij de KIT-synchrotron.

Met deze infrastructuur - die werd gebouwd als onderdeel van de Kopernikus-projecten van de Duitse federale overheid voor de energieomslag - was het mogelijk om de functie van een commerciële kobalt-nikkelkatalysatoroperando bij 250 ° C en 30 bar gedurende meer dan 300 uur te bepalen tijdens de FTS. Het was ook de eerste keer dat in een dergelijk experiment een voldoende hoeveelheid koolwaterstoffen kon worden geproduceerd die achteraf geanalyseerd kon worden.

Katalysatorontwikkeling op de computer

Dankzij het experiment konden de wetenschappers koolwaterstofafzettingen identificeren die de diffusie van de reactieve gassen naar de actieve katalysatordeeltjes belemmeren. "In de volgende stap deze inzichten kunnen worden gebruikt om de katalysator specifiek te beschermen tegen deze deactiveringsmechanismen, " zegt Grunwaldt. "Dit is gedaan, bijvoorbeeld, door de katalysator te modificeren met promotors, dat wil zeggen stoffen die de eigenschappen van de katalysator verbeteren." het nieuwe atomaire begrip van katalytische reacties zal bijdragen aan computersimulaties voor een snelle, hulpbronnenbesparende en kosteneffectieve ontwikkeling van op maat gemaakte katalysatoren voor P2X-processen.