Die heute verwendeten Kraftstoffe sind stark von Erdöl abhängig. Da die Nachfrage wächst, suchen Wissenschaftler nach Möglichkeiten, Kraftstoffe herzustellen, die kein Erdöl erfordern. Ein Forschungsteam wollte die Rolle von Zeolithen bei der Umwandlung von synthetischem Gas in Kraftstoffe untersuchen. Um besser zu verstehen, wie Zeolithe die Reaktionswege regulieren, untersuchten sie die neuesten Fortschritte bei der Umwandlung synthetischer Gase mit Katalysatoren, die Zeolithe enthalten.
Ihr Übersichtsartikel wird in der Zeitschrift veröffentlicht Kohlenstoffzukunft .
Als Alternative zu erdölabhängigen Kraftstoffen suchen Wissenschaftler seit langem nach synthetischem Gas oder Synthesegas. Synthesegas ist eine Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoffgas, die leicht aus Kohle, Erdgas und Biomasse gewonnen werden kann. Seit etwa 100 Jahren untersuchen Wissenschaftler die Umwandlung von Synthesegas in wertvolle Kraftstoffe und Chemikalien.
Die Fischer-Tropsch-Synthese (FTS) ist ein erfolgreicher Weg, den Wissenschaftler zur Umwandlung von Synthesegas in Kohlenwasserstoffe nutzen. Diese beliebte Konvertierungsmethode wurde in den 1920er Jahren von Franz Fischer und Hans Tropsch erfunden. Bei diesem Prozess entstehen durch eine Reihe chemischer Reaktionen Kohlenwasserstoffe. Wissenschaftler verwenden verschiedene Modelle, um die Selektivität dieses FTS-Prozesses zu bestimmen. Das einfachste und am weitesten verbreitete Modell ist das Anderson-Schulz-Flory-Modell (ASF).
Im Allgemeinen folgen die aus der herkömmlichen FTS-Methode resultierenden Produkte dem Anderson-Schulz-Flory-Modell und sind begrenzt. Beispielsweise haben Olefine, Alkane und Benzinfraktionen einen begrenzten Gehalt von nur etwa 58 % und 48 %. Wissenschaftler benötigen eine Möglichkeit, die Produktverteilungen aus dem FTS-Prozess zu optimieren. Dennoch bleibt dies eine Herausforderung.
Wissenschaftler haben herausgefunden, dass Zeolith die Reaktionswege über die herkömmliche FTS-Methode hinaus effektiv optimiert. Zeolithe sind hydratisierte Alumosilikatmineralien. Sie sind Feststoffe, haben aber eine dreidimensionale Kristallstruktur, die es ihnen ermöglicht, Flüssigkeiten leicht aufzunehmen und wieder abzugeben.
Der Zeolith reguliert den Reaktionsprozess. Mit Zeolithen konnten Wissenschaftler die Selektivität von Benzin, Kerosin und Diesel verbessern. Diese Ergebnisse stellen eine Verbesserung gegenüber den Ergebnissen des Anderson-Schulz-Flory-Modells dar. Mithilfe von Zeolith-Katalysatoren wurden auch zahlreiche aromatische Produkte hergestellt.
„Angesichts dieser Ergebnisse hielten wir es für angebracht, die jüngsten Fortschritte in der Bedeutung von Zeolithen bei der Synthesegasumwandlung zu überprüfen und zu diskutieren“, sagte Liang Wang, Professor am College of Chemical and Biological Engineering der Zhejiang-Universität.
Das Forschungsteam überprüfte die neuesten Fortschritte bei FTS gegenüber Katalysatoren, die Zeolithe enthalten. Sie untersuchten auch die Rolle von Zeolithen und ihr Zusammenspiel zwischen Struktur und Leistung. „Aufgrund des katalytischen Mechanismus wird erwartet, dass das rationale Design von Zeolithen für die Entwicklung effektiverer Katalysatoren und Reaktionsprozesse hilfreich sein wird“, sagte Wang.
In ihrer Studie stellte das Team fest, dass Zeolith die Reaktionswege über den herkömmlichen FTS-Prozess hinaus effektiv optimiert. Sie glauben, dass die Zeolith-unterstützte Synthesegasumwandlung immer noch zunimmt.
Sie geben mehrere Empfehlungen für Bereiche, auf die sich künftige Forschung konzentrieren könnte. Bisher wurden überwiegend Alumosilicat-Zeolithe verwendet, die mit dem FTS-Katalysator arbeiten. Das Team empfiehlt, in zukünftigen Studien weitere Zeolitheigenschaften zu berücksichtigen.
Wissenschaftler, die die Struktur-Aktivitäts-Beziehung katalytischer Materialien auf atomarer Ebene untersuchen, haben stark von Fortschritten bei der Verwendung von In-situ-Charakterisierungen und theoretischen Simulationsmethoden profitiert. Das Team empfiehlt, dass sich die zukünftige Forschung in diesem Bereich auf die Kombination von künstlicher Intelligenz und massiven Daten konzentrieren sollte.
Eine solche Fokussierung wird es den Forschern ermöglichen, die Katalysatorstruktur durch ein besseres Verständnis der Elementarschritte zu entwerfen. „Dies wird die Grundlage und Forschungsrichtung für das Verständnis des Reaktionsmechanismus und schließlich für die Entwicklung der entsprechenden Zeolithe liefern“, sagte Wang.
Mehr Informationen:
Hangjie Li et al., Bedeutung von Zeolith in multifunktionalen Katalysatoren für die Synthesegasumwandlung, Kohlenstoffzukunft (2023). DOI: 10.26599/CF.2023.9200003
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