Een optimaal werkende katalysator

21 april 2015

Onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven zijn erin geslaagd om aan te tonen op welke manier en onder welke condities een katalysator voor de belangrijke Fischer-Tropsch reactie optimaal kan functioneren.

Het Fischer-Tropsch proces is een zeer belangrijke chemische reactie. Hierbij worden waterstof en koolstofmonoxide door middel van een katalysator omgezet in langere koolwaterstoffen. Deze kunnen vervolgens worden gebruikt als vloeibare brandstoffen.  

Hoewel de reactie al in 1923 werd beschreven, is het heterogene Fischer-Tropsch proces nog steeds onderwerp van intensieve studie. Dit is het gevolg van de toenemende waarde van vloeibare energiedragers. Het reactiemechanisme is complex. Er bestaan nog veel onzekerheden met betrekking tot de tussenproducten van de reactie en daarom ook van de relatieve snelheden van de elementaire reactiestadia. Een optimaal werkende Fischer-Tropsch katalysator heeft een hoge selectiviteit voor lange koolwaterstoffen en produceert zo min mogelijk korte ketens, zoals methaan. 

Om helderheid te scheppen richten Ivo Filot, Rutger van Santen en Emiel Hensen, van de groep Moleculaire Katalyse aan de Technische Universiteit Eindhoven, zich op computationele katalyse. Daardoor kan er gedetailleerd onderzoek op moleculair niveau naar de reacties aan het oppervlak van de katalysator uitgevoerd worden. Dit onderzoek levert belangrijke nieuwe en uitgebreide informatie op over de relatie tussen de relatieve stabiliteit van de tussenproducten aan de oppervlakte van de katalysator en hun formatie- en conversiesnelheid als functie van de opbouw en structuur van de katalysator. 

Precieze analyse

De onderzoekers hebben een microkinetische simulatie ontwikkeld, die gebruik maakt van de DFT kwantumchemische data van de elementaire reactiesnelheden van de vele voorgestelde tussenproducten in Fischer-Tropsch katalyse. Zo’n complete en precieze analyse, die niet alleen de formatie van korte maar ook van de langere koolwaterstoffen onderzoekt, werd niet eerder uitgevoerd. Hieruit blijkt dat bij de katalytische reactie aan getrapte Ru-oppervlakten lange koolwaterstoffen preferent worden gevormd door insertie van CH monomeren in de groeiende koolwaterstofketen. 

Reactiepad analyse voor de Fischer-Tropsch reactie op een getrapt Ru-oppervlak. De knopen representeren reactanten, tussenproducten en producten, de lijnen staan voor de elementaire reactie stappen. De getallen staan voor de molaire snelheden.

Sub-optimaal presterende katalysatoren

Door het variëren van de interactie energie tussen metaal-koolstof en metaal-zuurstof, identificeren de onderzoekers drie reactiviteitsregimes waarbij de totale reactiesnelheid wordt bepaald door de elementaire reactiesnelheden van CO dissociatie, ketengroei beëindiging, of waterafscheiding. De optimale Fischer-Tropsch reactie, met een lage selectiviteit voor methaanproductie, vindt plaats bij de scheiding tussen de regimes van begrensde CO dissociatie en ketengroei beëindiging. Deze analyse laat zien dat de huidige Fischer-Tropsch katalysatoren wat dit betreft suboptimaal presteren en er in de industrie nog ruimte voor verbetering is binnen dit veelvuldig toegepaste proces.


Het onderzoek wordt gedeeltelijk gefinancierd door een TOP-subsidie van NWO Chemische Wetenschappen, toegekend in 2013.

Ivo A.W. Filot, Rutger A. van Santen, Emiel J.M. Hensen, ‘The optimally performing Fischer-Tropsch catalyst’, Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 12746-12750.

Bron: NWO

Kenmerken

Wetenschapsterrein

Chemische Wetenschappen

Programma

TOP-subsidies

Speerpunt

Vrij onderzoek