Des chercheurs de l'Université de l'État de Washington ont découvert des oscillations auto-entretenues dans le processus de synthèse Fischer-Tropsch, une méthode industrielle clé pour convertir le charbon, le gaz naturel ou la biomasse en combustibles liquides. Cette avancée révèle un comportement oscillatoire dans la réaction plutôt qu'un état stable, conduisant potentiellement à une production de carburant plus efficace et plus contrôlable. Cette découverte fournit une nouvelle approche basée sur les connaissances pour la conception de catalyseurs et l'optimisation des processus dans l'industrie chimique.
Des chercheurs de l'Université de l'État de Washington ont réalisé une avancée majeure dans la compréhension du processus de synthèse Fischer-Tropsch, une méthode industrielle clé pour convertir le charbon, le gaz naturel ou la biomasse en combustibles liquides. Contrairement à de nombreuses réactions catalytiques qui restent dans un état stable, ils ont constaté que le processus Fisher-Tropsch présente des oscillations auto-entretenues, alternant entre des états d'activité élevée et faible.
La découverte, publiée dans la revue Science, ouvre la possibilité d'optimiser les taux de réaction et d'augmenter le rendement des produits souhaités, permettant potentiellement une production de carburant plus efficace à l'avenir.
L'auteur correspondant Norbert Kruse, professeur distingué Woland à l'école Gene et Linda Woland de génie chimique et de bioingénierie de l'université Western Sydney, a déclaré : « Normalement, l'industrie chimique ne souhaite pas avoir d'oscillations de taux avec de grands changements de température en raison de problèmes de sécurité. aller loin."
Repenser la conception des catalyseurs
Bien que le procédé de synthèse Fischer-Tropsch soit couramment utilisé dans la production de carburants et de produits chimiques, les chercheurs savent peu de choses sur le fonctionnement de ce processus complexe de conversion catalytique. Le processus utilise des catalyseurs pour convertir deux molécules simples, l’hydrogène et le monoxyde de carbone, en longues chaînes moléculaires, les hydrocarbures largement utilisés dans la vie quotidienne.
Pendant plus d'un siècle, la R&D dans les industries des carburants et des produits chimiques s'est appuyée sur une approche par essais et erreurs, mais les chercheurs seront désormais en mesure de concevoir des catalyseurs de manière plus intentionnelle et d'ajuster les réactions pour induire des états oscillatoires qui améliorent les performances catalytiques.
Les chercheurs sont tombés sur le phénomène d'oscillation après que l'étudiant diplômé Zhang Rui ait posé un problème à Kruse : il était incapable de stabiliser la température de la réaction. Lorsqu’ils l’étudièrent ensemble, ils découvrirent des oscillations surprenantes.
Les chercheurs ont non seulement découvert que la réaction produisait un état de réaction oscillatoire, mais aussi pourquoi. Autrement dit, lorsque la chaleur générée par la réaction provoque une augmentation de la température, les gaz réactifs perdent le contact avec la surface du catalyseur et la vitesse de réaction ralentit, abaissant ainsi la température. Une fois que la température est suffisamment basse, la concentration de gaz réactifs à la surface du catalyseur augmente et la vitesse de réaction augmente. La température augmente donc et le cycle se termine.
La théorie et l'expérience convergent
Dans l’étude, les chercheurs ont démontré la réaction en laboratoire à l’aide d’un catalyseur au cobalt couramment utilisé, réglé en ajoutant de l’oxyde de cérium, puis ont modélisé son fonctionnement. L'un des co-auteurs, Pierre Gaspard de l'Université Libre de Bruxelles, a développé un protocole de réaction et imposé théoriquement des températures variables périodiquement pour reproduire la vitesse et la sélectivité expérimentales de la réaction.
L'auteur correspondant Yong Wang, professeur Regent au Wallander College de l'Université Western Sydney, a déclaré : "C'est vraiment merveilleux que nous ayons pu construire un modèle théorique. Les données théoriques et les données expérimentales sont presque cohérentes."
Kruse étudie les réactions oscillatoires depuis plus de 30 ans. La découverte du comportement oscillatoire de la réaction de Fisher-Tropsch a été surprenante car la réaction est mécaniquement extrêmement complexe.
"Nous rencontrons parfois de nombreux revers dans nos recherches parce que les choses ne se passent pas comme vous l'imaginiez, mais il y a aussi des moments que vous ne pouvez pas décrire", a déclaré Kruse. "C'est un tel sentiment d'accomplissement, mais le 'sentiment d'accomplissement' est trop faible pour décrire l'enthousiasme suscité par cette avancée majeure."