Onderzoekers TU Delft bieden deel van de puzzel om alternatieven voor fossiele brandstoffen te produceren

In de zoektocht naar de ontwikkeling van synthetische oliën en brandstoffen heeft de TU Delft met succes een in-situ cel geproduceerd die helpt bij het begrijpen van het proces van katalysatoren. Deze prestatie is onderdeel van onderzoek dat is uitgevoerd in samenwerking met de Universiteit Eindhoven en het National Institute of Clean and Low-Carbon Energy.

Dit resultaat toont aan dat de unieke faciliteiten van het TU Delft Reactor Institute, in dit geval specifiek Mössbauer spectroscopie, nuttig zijn bij het onderzoeken van materialen onder echte industriële omstandigheden. Er zijn realistische experimenten uitgevoerd in samenwerking met belangrijke partners uit de industrie. Dit is een zeer betrouwbaar en beproefd hulpmiddel gebleken voor in-situ studies onder hoge druk.

Fischer-Tropsch-technologie

In dit onderzoek werd fasezuiver χ-Fe-carbide bereid en onderzocht, dat uitstekende katalytische prestaties liet zien. Deze katalysatoren produceren waardevolle lineaire α-olefinen onder industrieel relevante omstandigheden, waardoor toegang wordt verkregen tot belangrijke chemische stoffen in de commerciële Fischer-Tropsch-technologie. Deze technologie kan een alternatief bieden voor fossiele brandstoffen door de productie van synthetische smeerolie en synthetische brandstof.

Decennialange toewijding en bevestiging

“Veel van de Fe-carbiden die actief zijn in het Fischer-Tropsch proces werden voor het eerst gekarakteriseerd met Mössbauer spectroscopie.Het hoge penetratievermogen van gammastralen maakt deze spectroscopie tot een zeer veelzijdige techniek om katalysatoren in hun werkingstoestand (in chemische reactoren) te bestuderen, wat veelbelovende routes biedt om de katalytische sites beter te begrijpen en wegen opent om nieuwe of verbeterde katalysatoren te synthetiseren. Onze groep is al vanaf het allereerste begin betrokken bij dit onderzoeksveld - ongeveer 45 jaar geleden,” voegt Dr. Iulian Dugulan toe, onderzoeker bij de Fundamentele Aspecten van Materialen en Energie aan het Reactor Instituut van de TU Delft.

Onze in-situ Mössbauer spectroscopie-experimenten bevestigden de vorming van fasezuiver χ-Fe-carbide in de katalysatoren die in dit onderzoek zijn bestudeerd.

Onderzoek met relevante technologie

Voor dit project werd een unieke state-of-the-art faciliteit voor hogedruk-Mössbauerspectroscopie gebruikt om heterogene katalysatoren in hun werkingstoestand te bestuderen. Deze in-situ cel werd ontwikkeld door onze groep in samenwerking met de Electronic and Mechanical Support Division (DEMO).

Dit onderzoek heeft het potentieel om een commercieel relevante technologie te ontwikkelen voor de efficiënte productie van lange-keten lineaire α-olefinen in het Fischer-Tropsch proces.

Hogere activiteit bij lagere temperaturen

De nieuw gekarakteriseerde katalysator vertoont 1-2 orden van grootte hogere activiteit bij lagere temperaturen dan specifieke Fischer-Tropsch-katalysatoren. De katalysator is gedurende langere tijd stabiel en levert aanzienlijke hoeveelheden lineaire α-olefinen op, terwijl ongewenste CO2-productie wordt verminderd.

Impact op onderzoek

Het gebruik van de mangaanpromotor in deze katalysatoren remt ongewenste secundaire reacties en draagt zo bij tot de hoge selectiviteit voor de gewenste lineaire α-olefinen. Dit onderzoek opent wegen om nieuwe of verbeterde katalysatoren te synthetiseren door verschillende promotors te selecteren in combinatie met andere fase zuivere actieve Fe-carbiden.

Praktische toepassingen

De industrialisatie van de nieuwe katalysatoren vereist onvermijdelijk een aanpak van de uitdagingen op het vlak van procestechniek. De aangetoonde hoge CO-omzetting, met een hoog koolstofrendement, kan echter ook andere toepassingen ten goede komen, zoals de productie van alcoholen, aromaten of straalbrandstoffen uit syngas afgeleid van conventionele of hernieuwbare koolstofhoudende grondstoffen.

Maatschappelijke impact

Hogere lineaire α-olefinen zijn van vitaal belang voor de chemische industrie als veelzijdige grondstoffen en bouwstenen voor verschillende raffinageprocessen. Ze zijn van cruciaal belang voor de productie van poly-α-olefinen, lineair lage dichtheidpolyethyleen en als additieven voor de productie van hogedichtheid polyethyleen. Ze worden ook gebruikt bij de productie van oppervlakte-actieve stoffen, rechte-keten alcoholen en bij de productie van weekmakers.

Samenwerking wereldwijd

Dit project wordt gecoördineerd door Prof. Emiel Hensen van het Laboratorium voor Anorganische Materialen en Katalyse van de Technische Universiteit Eindhoven. De hoofdauteur is Dr. Peng Wang, die ook verbonden is aan het National Institute of Clean and Low-Carbon Energy in Beijing, Volksrepubliek China.

Volgende experimenten

De volgende reeks experimenten met andere innovatieve Fischer-Tropsch-katalysatoren is al aan de gang. De verkregen interessante resultaten zullen binnenkort in een ander kwalitatief hoogstaand tijdschrift worden gepubliceerd.

Publicatie

Kijk voor het abstract en het volledig artikel in Nature: Efficient conversion of syngas to linear α-olefins by phase-pure χ-Fe5C2

Meer informatie en contact

Radiation Science & Technology - Fundamental Aspects of Materials and Energy, FAME