Lämpliga katalysatorer är av stor betydelse för effektiva power-to-X-tillämpningar - men de molekylära processer som sker under deras användning har ännu inte helt förståtts. Med hjälp av röntgenstrålar från en synkrotronpartikelaccelerator, forskare vid Karlsruhe Institute of Technology (KIT) har nu för första gången kunnat observera en katalysator under Fischer-Tropsch-reaktionen som underlättar produktionen av syntetiska bränslen under industriella förhållanden. Testresultaten är avsedda att användas för utveckling av skräddarsydda power-to-X-katalysatorer. Teamet har publicerat resultaten i den vetenskapliga tidskriften Reaktion &Kemiteknik .

På väg till en CO ₂ -neutralt samhälle, power-to-X-processer (P2X), processer som omvandlar förnybar energi till kemiska energikällor, stödja sammankopplingen av olika sektorer. Till exempel, syntetiska bränslen kan framställas från vind- eller solenergi, möjliggör klimatvänlig mobilitet och godstransporter utan ytterligare utsläpp av växthusgaser. Fischer-Tropsch-syntesen (FTS), som är nödvändig för detta ändamål bl.a. ger långkedjiga kolväten för produktion av bensin eller diesel från kolmonoxid och väte, är en etablerad process inom den kemiska industrin.

Dock, även om det har gått mer än hundra år sedan upptäckten av denna teknik, de involverade processerna är fortfarande inte helt vetenskapligt förstådda:"Detta gäller särskilt de strukturella förändringarna i de katalysatorer som krävs för processen under industriella förhållanden, " säger professor Jan-Dierk Grunwaldt från Institutet för kemisk teknik och polymerkemi (ITCP) vid KIT. "Under reaktionen, oönskade biprodukter kan bildas eller störande strukturella förändringar i katalysatorn kan inträffa. Än så länge, det har inte förklarats tillräckligt hur detta sker exakt under reaktionen och vilka effekterna på den övergripande processen är."

I ett tvärvetenskapligt projekt, i samarbete med P2X-experter från Institutet för mikroprocessteknik (IMVT) och Institute of Catalysis Research and Technology (IKFT) vid KIT, teamet har nu uppnått ett genombrott i förståelsen av FTS på atomnivå. "För analysen, vi använder metoder för synkrotronforskning, dvs röntgenabsorptionsspektroskopi och röntgendiffraktion, " förklarar Marc-André Serrer (IKFT), en av författarna till studien. "Det här var första gången vi kunde titta på så att säga, en FTS-katalysator i arbete på atomnivå under verkliga processförhållanden."

Även om katalytiska reaktioner redan hade studerats i förväg med en synkrotron, en speciell partikelaccelerator för att generera särskilt intensiv röntgenstrålning, reaktioner som sker under lång tid och vid höga temperaturer och tryck, som i realtidsdrift på en P2X-anläggning, har hittills utgjort ett hinder. För experimentet vid KIT, en ny högtrycksinfrastruktur har nu lagts till CAT-ACT-mätlinjen (CATalysis och ACTinide-mätlinjen) avsedd för katalysatorstudier vid KIT-synkrotronen.

Med denna infrastruktur – som byggdes som en del av den tyska federala regeringens Kopernikus-projekt för energiomvandlingen – var det möjligt att bestämma funktionen av en kommersiell kobolt-nickel-katalysatoroperando vid 250 °C och 30 bar under mer än 300 timmar under FTS. Det var också första gången som en tillräcklig mängd kolväten kunde produceras i ett sådant experiment som kunde analyseras i efterhand.

Katalysatorutveckling vid datorn

Experimentet gjorde det möjligt för forskarna att identifiera kolväteavlagringar som hindrar diffusionen av de reaktiva gaserna mot de aktiva katalysatorpartiklarna. "I nästa steg, dessa insikter kan användas för att skydda katalysatorn specifikt mot dessa deaktiveringsmekanismer, " säger Grunwaldt. "Detta är gjort, till exempel, genom att modifiera katalysatorn med promotorer, dvs ämnen som förbättrar katalysatorns egenskaper." I framtiden, den nya atomära förståelsen av katalytiska reaktioner kommer att bidra till datorsimuleringar för en snabb, resursbesparande och kostnadseffektiv utveckling av skräddarsydda katalysatorer för P2X-processer.