Les catalyseurs appropriés sont d'une grande importance pour les applications de puissance à X efficaces, mais les processus moléculaires se produisant au cours de leur utilisation n'ont pas encore été entièrement compris. En utilisant les rayons X d'un accélérateur de particules synchrotron, Des scientifiques du Karlsruhe Institute of Technology (KIT) ont maintenant pu observer pour la première fois un catalyseur lors de la réaction Fischer-Tropsch qui facilite la production de carburants synthétiques dans des conditions industrielles. Les résultats des tests sont destinés à être utilisés pour le développement de catalyseurs power-to-X sur mesure. L'équipe a publié les résultats dans la revue scientifique Réaction &Génie Chimique .

En route pour un CO 2 - société neutre, processus power-to-X (P2X), c'est-à-dire des procédés qui convertissent les énergies renouvelables en sources d'énergie chimiques, soutenir l'imbrication de différents secteurs. Par exemple, les carburants synthétiques peuvent être produits à partir de l'énergie éolienne ou solaire, permettre une mobilité et un transport de marchandises respectueux du climat sans émissions supplémentaires de gaz à effet de serre. La synthèse Fischer-Tropsch (FTS), qui est nécessaire à cette fin entre autres, produisant des hydrocarbures à longue chaîne pour la production d'essence ou de diesel à partir de monoxyde de carbone et d'hydrogène, est un procédé bien établi dans l'industrie chimique.

Cependant, même si plus de cent ans se sont écoulés depuis la découverte de cette technologie, les procédés mis en jeu ne sont pas encore totalement compris scientifiquement :« Ceci s'applique notamment aux modifications structurelles des catalyseurs nécessaires au procédé en conditions industrielles, " déclare le professeur Jan-Dierk Grunwaldt de l'Institut de technologie chimique et de chimie des polymères (ITCP) du KIT. " Pendant la réaction, des sous-produits indésirables peuvent se former ou des changements structurels perturbateurs dans le catalyseur peuvent se produire. Jusque là, il n'a pas été suffisamment expliqué comment cela se produit exactement pendant la réaction et quels sont les effets sur le processus global."

Dans un projet transdisciplinaire, en coopération avec les experts P2X de l'Institute for Micro Process Engineering (IMVT) et de l'Institute of Catalysis Research and Technology (IKFT) du KIT, l'équipe a maintenant réalisé une percée dans la compréhension du FTS au niveau atomique. "Pour l'analyse, nous utilisons des méthodes de recherche synchrotron, c'est-à-dire la spectroscopie d'absorption des rayons X et la diffraction des rayons X, " explique Marc-André Serrer (IKFT), l'un des auteurs de l'étude. "C'était la première fois que nous pouvions regarder, pour ainsi dire, un catalyseur FTS à l'œuvre au niveau atomique dans des conditions de processus réelles."

Alors que les réactions catalytiques avaient déjà été étudiées au préalable avec un synchrotron, un accélérateur de particules spécial pour générer un rayonnement X particulièrement intense, réactions qui se déroulent sur une longue période de temps et à des températures et pressions élevées, comme dans le fonctionnement en temps réel dans une installation P2X, ont jusqu'à présent constitué un obstacle. Pour l'expérience au KIT, une nouvelle infrastructure haute pression vient s'ajouter à la ligne de mesure CAT-ACT (ligne de mesure CATalyse et ACTinide) destinée aux études catalytiques au synchrotron KIT.

Avec cette infrastructure, qui a été construite dans le cadre des projets Kopernikus du gouvernement fédéral allemand pour le redressement énergétique, il a été possible de déterminer la fonction d'un catalyseur commercial cobalt-nickel opérant à 250 °C et 30 bar pendant plus de 300 heures au cours de la FTS. C'était aussi la première fois qu'une quantité suffisante d'hydrocarbures pouvait être produite dans une telle expérience qui pouvait être analysée par la suite.

Développement de catalyseur à l'ordinateur

L'expérience a permis aux scientifiques d'identifier des gisements d'hydrocarbures qui entravent la diffusion des gaz réactifs vers les particules actives du catalyseur. « À l'étape suivante, ces informations peuvent être utilisées pour protéger le catalyseur spécifiquement contre ces mécanismes de désactivation, " dit Grunwaldt. " C'est fait, par exemple, en modifiant le catalyseur avec des promoteurs, c'est-à-dire des substances qui améliorent les propriétés du catalyseur." À l'avenir, la nouvelle compréhension atomique des réactions catalytiques contribuera aux simulations informatiques pour un rapide, développement économique et économique de catalyseurs sur mesure pour les processus P2X.