Catalizzatori adatti sono di grande importanza per applicazioni power-to-X efficienti, ma i processi molecolari che si verificano durante il loro utilizzo non sono stati ancora completamente compresi. Usando i raggi X di un acceleratore di particelle di sincrotrone, gli scienziati del Karlsruhe Institute of Technology (KIT) hanno ora potuto osservare per la prima volta un catalizzatore durante la reazione di Fischer-Tropsch che facilita la produzione di combustibili sintetici in condizioni industriali. I risultati dei test sono destinati all'uso per lo sviluppo di catalizzatori power-to-X su misura. Il team ha pubblicato i risultati sulla rivista scientifica Reazione e ingegneria chimica .

Sulla strada per un CO ₂ -società neutrale, processi power-to-X (P2X), ovvero processi che convertono le energie rinnovabili in fonti energetiche chimiche, sostenere l'interconnessione di diversi settori. Per esempio, i combustibili sintetici possono essere prodotti dall'energia eolica o solare, consentire una mobilità e un trasporto di merci rispettosi del clima senza ulteriori emissioni di gas serra. La sintesi di Fischer-Tropsch (FTS), necessaria a tale scopo, tra l'altro, produzione di idrocarburi a catena lunga per la produzione di benzina o diesel da monossido di carbonio e idrogeno, è un processo consolidato nell'industria chimica.

Però, nonostante siano passati più di cento anni dalla scoperta di questa tecnologia, i processi coinvolti non sono ancora completamente compresi scientificamente:"Ciò vale in particolare per i cambiamenti strutturali nei catalizzatori necessari per il processo in condizioni industriali, " afferma il professor Jan-Dierk Grunwaldt dell'Istituto di tecnologia chimica e chimica dei polimeri (ITCP) di KIT. "Durante la reazione, possono formarsi sottoprodotti indesiderati o possono verificarsi cambiamenti strutturali distruttivi nel catalizzatore. Finora, non è stato spiegato a sufficienza come ciò avvenga esattamente durante la reazione e quali siano gli effetti sul processo complessivo".

In un progetto transdisciplinare, in collaborazione con esperti P2X dell'Institute for Micro Process Engineering (IMVT) e dell'Institute of Catalysis Research and Technology (IKFT) di KIT, il team ha ora raggiunto una svolta nella comprensione dell'FTS a livello atomico. "Per l'analisi, utilizziamo metodi di ricerca del sincrotrone, cioè spettroscopia di assorbimento di raggi X e diffrazione di raggi X, " spiega Marc-André Serrer (IKFT), uno degli autori dello studio. "Questa è stata la prima volta che siamo stati in grado di guardare, per così dire, un catalizzatore FTS al lavoro a livello atomico in condizioni di processo reali."

Mentre le reazioni catalitiche erano già state studiate in precedenza con un sincrotrone, uno speciale acceleratore di particelle per generare radiazioni di raggi X particolarmente intense, reazioni che avvengono per un lungo periodo di tempo e ad alte temperature e pressioni, come nel funzionamento in tempo reale presso una struttura P2X, hanno finora rappresentato un ostacolo. Per l'esperimento al KIT, una nuova infrastruttura ad alta pressione è stata ora aggiunta alla linea di misurazione CAT-ACT (linea di misurazione CATalysis e ACTinide) destinata agli studi sui catalizzatori presso il sincrotrone KIT.

Con questa infrastruttura, realizzata nell'ambito dei progetti Kopernikus del governo federale tedesco per il turnaround energetico, è stato possibile determinare la funzione di un catalizzatore commerciale al cobalto-nichel operando a 250 °C e 30 bar per più di 300 ore durante il FTS. Questa è stata anche la prima volta che è stato possibile produrre una quantità sufficiente di idrocarburi in un tale esperimento che potrebbe essere analizzato in seguito.

Sviluppo del catalizzatore al computer

L'esperimento ha permesso agli scienziati di identificare i depositi di idrocarburi che ostacolano la diffusione dei gas reattivi verso le particelle del catalizzatore attivo. "Nel passaggio successivo, queste intuizioni possono essere utilizzate per proteggere il catalizzatore in modo specifico contro questi meccanismi di disattivazione, " dice Grunwaldt. "Questo è fatto, Per esempio, modificando il catalizzatore con promotori, cioè sostanze che migliorano le proprietà del catalizzatore." In futuro, la nuova comprensione atomica delle reazioni catalitiche contribuirà alle simulazioni al computer per un rapido, sviluppo di catalizzatori su misura per il risparmio di risorse e l'efficienza dei costi per i processi P2X.