Автоколебания Фишера—Тропша

Процесс производства жидкого топлива из угля, биомассы или природного газа изобрели Франц Фишер и Ханс Тропш в двадцатые годы прошлого века. Сейчас он составляет целый раздел учебника под названием «Химия Фишера—Тропша». Это преобразование моноксида углерода и водорода в сложные молекулы углеводородов с использованием Fe, Co, Ni, Os, Th, Zr и пр. в качестве катализаторов. Синтезы такого типа широко применяют в промышленности, однако большинство результатов получено методом проб и ошибок. Химики до сих пор слабо понимают, как здесь работают сложные катализаторы.

Со случайного наблюдения начиналось и исследование ученых Университета штата Вашингтон, изучавших синтез под руководством профессора Норберта Крузе (Norbert Kruse), который более 30 лет занимается колебательными химическими процессами. Оказалось, что реакция взаимодействия угарного газа и водорода с одинаковыми парциальными давлениями, проходящая на кобальте с оксидом церия, отличается тем, что во время синтеза периодически изменяет свою температуру и скорость, а значит, и выход конечных продуктов. При 220ºС и атмосферном давлении в синтезе над порошком из смеси кобальта и оксида церия (соотношение числа атомов 2:1) происходили осцилляции размахом в несколько градусов и периодом в несколько минут.

После ряда экспериментов ученые поняли механизм обратной связи, стоящий за автоколебаниями. Если температура реакции росла при тепловыделении, то реагирующие газы теряли контакт с поверхностью катализатора и реакция замедлялась. В результате температура снижалась и закономерно росла концентрация газов у катализатора, а реакция, соответственно, ускорялась и тепловыделение росло. Эта кинетическая модель прямо учитывает энергию активации углеродно-кислородных связей. Теория оказалась настолько успешной, что химики смогли полностью управлять параметрами реакции в лабораторных условиях.

В большинстве реакций колебания вредны, но если они понятны и контролируемы, то могут помочь оптимизировать промышленные процессы. Как считает профессор Крузе, теперь химики смогут продлить жизнь катализаторов для синтеза Фишера—Тропша, поскольку в колебательной реакции они будут восстанавливаться. Авторы также надеются, что их исследование позволит оптимизировать производство топлив и масел. Статья под названием «Осциллирующая реакция Фишера—Тропша» вышла в журнале Science.