Los catalizadores adecuados son de gran importancia para aplicaciones eficientes de potencia a X, pero los procesos moleculares que ocurren durante su uso aún no se han entendido completamente. Usando rayos X de un acelerador de partículas sincrotrón, Los científicos del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) han podido observar por primera vez durante la reacción de Fischer-Tropsch un catalizador que facilita la producción de combustibles sintéticos en condiciones industriales. Los resultados de la prueba están destinados a utilizarse para el desarrollo de catalizadores power-to-X a medida. El equipo ha publicado los resultados en la revista científica Ingeniería química y de reacción .

De camino a un CO ₂ -sociedad neutral, procesos power-to-X (P2X), es decir, procesos que convierten la energía renovable en fuentes de energía química, Apoyar el enclavamiento de diferentes sectores. Por ejemplo, los combustibles sintéticos se pueden producir a partir de energía eólica o solar, permitir la movilidad y el transporte de mercancías respetuosos con el clima sin emisiones adicionales de gases de efecto invernadero. La síntesis de Fischer-Tropsch (FTS), que es necesario para este propósito entre otras cosas, producir hidrocarburos de cadena larga para la producción de gasolina o diésel a partir de monóxido de carbono e hidrógeno, es un proceso establecido en la industria química.

Sin embargo, a pesar de que han pasado más de cien años desde el descubrimiento de esta tecnología, los procesos involucrados aún no se entienden completamente científicamente:"Esto se aplica en particular a los cambios estructurales en los catalizadores requeridos para el proceso en condiciones industriales, "dice el profesor Jan-Dierk Grunwaldt del Instituto de Tecnología Química y Química de Polímeros (ITCP) de KIT." Durante la reacción, Pueden formarse subproductos indeseables o pueden producirse cambios estructurales disruptivos en el catalizador. Hasta aquí, no se ha explicado suficientemente cómo sucede esto exactamente durante la reacción y cuáles son los efectos en el proceso general ".

En un proyecto transdisciplinario, en cooperación con expertos en P2X del Instituto de Ingeniería de Microprocesos (IMVT) y el Instituto de Investigación y Tecnología de Catálisis (IKFT) de KIT, el equipo ahora ha logrado un gran avance en la comprensión del FTS a nivel atómico. "Para el análisis, utilizamos métodos de investigación de sincrotrón, es decir, espectroscopia de absorción de rayos X y difracción de rayos X, "explica Marc-André Serrer (IKFT), uno de los autores del estudio. "Esta fue la primera vez que pudimos ver, por así decirlo, un catalizador FTS en funcionamiento a nivel atómico en condiciones reales de proceso ".

Si bien las reacciones catalíticas ya se habían estudiado de antemano con un sincrotrón, un acelerador de partículas especial para generar una radiación de rayos X particularmente intensa, reacciones que tienen lugar durante un largo período de tiempo y a altas temperaturas y presiones, como en la operación en tiempo real en una instalación P2X, hasta ahora han presentado un obstáculo. Para el experimento en KIT, Ahora se ha agregado una nueva infraestructura de alta presión a la línea de medición CAT-ACT (línea de medición CATalysis y ACTinide) designada para estudios de catalizadores en el sincrotrón KIT.

Con esta infraestructura, que fue construida como parte de los proyectos Kopernikus del gobierno federal alemán para el cambio de energía, fue posible determinar la función de un catalizador comercial de cobalto-níquel operando a 250 ° C y 30 bar durante más de 300 horas durante el FTS. Esta fue también la primera vez que se pudo producir una cantidad suficiente de hidrocarburos en un experimento de este tipo que podría analizarse posteriormente.

Desarrollo de catalizadores en la computadora

El experimento permitió a los científicos identificar depósitos de hidrocarburos que dificultan la difusión de los gases reactivos hacia las partículas catalizadoras activas. "En el siguiente paso, estos conocimientos se pueden utilizar para proteger el catalizador específicamente contra estos mecanismos de desactivación, "dice Grunwaldt." Esto está hecho, por ejemplo, modificando el catalizador con promotores, es decir, sustancias que mejoran las propiedades del catalizador ". En el futuro, La novedosa comprensión atómica de las reacciones catalíticas contribuirá a las simulaciones por computadora para una rápida, Desarrollo rentable y que ahorra recursos de catalizadores personalizados para procesos P2X.